Etude expérimentale du transfert de chaleur dans des films liquides ruisselants instables
Romain Collignon1, ⋆, Guillaume Castanet1, Ophélie Caballina1, Fabrice Lemoine1
⋆ : romain.collignon@univ-lorraine.fr
1 LEMTA - UMR 7563 (CNRS-UDL)
Mots clés : Transferts de chaleur, Fluorescence induite par laser, Film mince
Résumé :
Le ruissellement de films liquides minces est rencontré dans une variété de procédés, notamment les condenseurs, les évaporateurs ou encore les colonnes d’absorption à film tombant. En général, les conditions rencontrées dans ces applications sont telles que la surface libre du film est instable et que des vagues s’y propagent. Depuis longtemps, la présence des vagues est utilisée pour intensifier les transferts de chaleur et de masse à travers le film liquide. Cependant, les mécanismes à l’origine de cette intensification ne sont pas toujours pas complètement élucidés, les couplages entre l’hydrodynamique et la thermique rendant la modélisation complexe. L’augmentation de la surface d’échange entre le liquide et le gaz, la formation de rouleaux dans la crête des vagues, l’amincissement du film devant le front de vague sont autant de phénomènes qui peuvent jouer un rôle important. Dans cette étude, le transfert de chaleur dans un film liquide mince qui s’écoule sur une paroi en titane chauffée uniformément par effet Joule est mesuré. La fluorescence induite par laser (LIF) permet de caractériser la température. Le liquide est préalablement ensemencé par deux colorants : la kiton red (KR) et la rhodamine 560 (R560). Un laser continu Nd:YAG à 532 nm est utilisé afin d’exciter la fluorescence dans le film ruisselant. L’émission des deux colorants étant décalés en longueur d’onde, les signaux émis par KR et R560 peuvent être détectés séparément au moyen de deux tubes photomultiplicateurs équipés de filtres chromatiques adéquats. Ces signaux varient différemment avec la température (le signal de KR diminue avec la température, tandis que celui de R560 augmente). Ces signaux varient avec l’épaisseur du film, en revanche, le rapport de leur intensité n’est pas affecté par l’épaisseur du film et les perturbations optiques. Ce rapport peut donc être utilisé pour mesurer la température. Une sonde optique a été spécialement développée afin de mettre en œuvre la technique, dans cette configuration où le seul accès optique est par le dessus du film. Les mesures permettent de reconstituer l’évolution temporelle de la température moyenne dans l’épaisseur du film lors du passage des vagues. L’épaisseur du film est évaluée au même endroit en utilisant la quasi-proportionnalité entre le signal de fluorescence et cette épaisseur. Parallèlement, la température de paroi est déterminée par des thermocouples fixés en dessous de la paroi. Une étude paramétrique met en évidence l’influence sur le transfert de chaleur dans le film, de la fréquence et de l’amplitudes des vagues, de l’angle d’inclinaison de la paroi, et du débit de liquide dans le film. Pour les différents cas étudiés, le nombre de Nusselt est comparé au film lisse (sans vague) équivalent pour lequel des modèles existent, ceci permet de quantifier l’intensification des transferts lié aux vagues.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-062
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