1.3 Ecoulements diphasiques en minicanaux
1.3.5 Bilan de l’influence des différents paramètres
Diamètre du tube et tension de surface
Sur les transitions entre régimes d’écoulement, le diamètre du tube est une donnée essentielle. En effet, un petit diamètre augmente l’importance de la tension de surface vis à vis des autres forces (inertie, gravité . . .). L’effet de la tension de surface est de minimiser l’aire interfaciale, donc de privilégier la transition vers l’écoulement à poches et bouchons sur l’écoulement annulaire :
figure (1.9).
Concernant la transition stratifié - non stratifié, les expériences montrent que, pour de l’eau
et de l’air à température ambiante et à pression atmosphérique, elle intervient pour 1 < dH <
2 mm. Pour dH < 1 mm, la tension de surface domine totalement les effets de gravité : le régime
stratifié n’est plus possible, même pour des faibles débits de gaz et de liquide. Pour 2 mm < dH,
le régime stratifié peut exister pour des débits de gaz et de liquide faibles.
24 Chapitre 1 : Introduction
Fig. 1.10 – Carte de configuration pour l’eau-air et le R134a-vapeur dans un tube de diamètre
de 2 mm d’aprèsYang & Shieh(2001)
mètre hydraulique et la longueur capillaire. La température peut faire varier modérément la transition. En effet, la tension de surface diminue quand la température augmente, donc égale-
ment la longueur capillaire (A P = 1bar, La longueur capillaire est lc= 2.7 mmpour T = 20oC
et lc= 2.55 mmà T = 80oC).
L’importance de la tension de surface est directement liée au diamètre hydraulique du tube.
Yang & Shieh (2001) ont comparé les transitions dans le système eau-air avec les transitions
obtenues pour le système R134a-vapeur : figure (1.10). Les longueurs capillaires sont à T ' 30oC
lc= 0.8 mm pour le R134a et lc= 2.7 mm pour l’eau-air. Ceci explique les résultats deYang &
Shieh(2001) : l’augmentation de la tension de surface a les mêmes conséquences sur les transitions
que la diminution du diamètre du tube. C’est-à-dire que pour un même diamètre, l’écoulement intermittent apparaît plus tôt lorsque la tension de surface est plus importante.
Ecoulements diphasiques en minicanaux 25
Géométrie du tube
L’influence de la géométrie de la section sur les régimes est peu comprise. Le diamètre hy- draulique et le rapport d’aspect font varier l’influence de la tension de surface, de la gravité, de
l’inertie et de la viscosité.Coleman & Garimella(1999) ont comparé des tubes ronds et des canaux
rectangulaires pour le même diamètre hydraulique. Cependant, des matériaux de mouillabilité différente ont été utilisés, sans que cette différence ne soit prise en compte. Les tubes ronds sont en Pyrex, que l’eau mouille, alors que les canaux sont en plastique, qui est plutôt non-mouillant. La transition intermittent-annulaire a lieu pour des vitesses superficielles de gaz plus faibles dans
un canal rectangulaire en plastique que pour les tubes ronds en Pyrex : figure (1.11). De plus le
régime stratifié existe pour des vitesses superficielles de gaz plus faibles que pour les tubes. Ainsi, cette étude montre que le domaine d’existence du régime annulaire est plus important pour les sections rectangulaires que pour les tubes ronds. Ceci est confirmé par l’étude de Wölk et al. (2000) effectuée en écoulement vertical avec des sections de géométries différentes (rond, carrée, rectangulaire, losange et triangulaire).
Fig. 1.11 – Carte de configuration pour un tube rond en Pyrex dH = 5.50mm et un canal
rectangulaire en plastique pour dH = 5.36mmet un rapport d’aspect α = 0.725 d’aprèsColeman
26 Chapitre 1 : Introduction
Triplett et al. (1999) utilisent des canaux horizontaux de section semi-triangulaire (un des
sommets est arrondi) de diamètre hydraulique 1.09 mm et 1.49 mm. L’écoulement stratifié n’est pas observé pour ces sections, ni pour les sections circulaires de même diamètre hydraulique. Ce qui peut être éventuellement expliqué par le fait que la vitesse superficielle minimale de liquide est de 0.03 m/s, vitesse trop importante pour ces faibles diamètres.
La mouillabilité des parois
Barajas & Panton(1993) font l’étude d’écoulements diphasiques eau/air en tube horizontal de
diamètre 1.6 mm. Différents matériaux (pyrex, polyéthylène, polyuréthane et un fluoropolymère)
pour le tube ont été utilisés de manière à avoir différents angles de contact statiques : 34o,
61o, 74o(tous trois partiellement mouillants) et 106o (partiellement non-mouillant). La présence
d’hystérésis de l’angle de contact n’est pas mentionnée. La vitesse superficielle pour le liquide va de 0.003 à 2 m/s et pour le gaz 0.1 à 100 m/s. Les régimes observés sont présentés sur
la figure (1.12). Deux nouveaux régimes apparaîssent : écoulement ruissellement et à multiple
ruissellement. Ils sont caractérisés par des filets de liquide qui sillonnent le long de la paroi.
Fig. 1.12 – Carte de configuration pour des mouillabilités différentes d’après Barajas & Panton
Ecoulements diphasiques en minicanaux de pile à combustible 27
Ils observent que l’écoulement stratifié à vague existe pour 34o mais devient un écoulement
ruissellant pour des angles de contact supérieurs. A partir de 74o et pour des débits de gaz
importants, plusieurs filets apparaissent : l’écoulement ruissellant devient un écoulement à mul- tiple ruissellement. Concernant la transition intermittent/annulaire, elle ne change pas pour les
3 angles mouillants (34o, 61o, 74o), mais pour l’angle non-mouillant 106o, la transition change
et a lieu pour des débits de gaz plus faibles que pour les autres angles. Concernant la transition stratifié-intermittent ou stratifié-annulaire, l’angle a une influence sur la zone de transition : le débit de liquide doit être plus important pour provoquer la transition.
L’étude expérimentale et théorique deTurnau & Fabre(2005) permet de quantifier l’influence
de l’angle de mouillage sur les transitions de configuration dans des situations statiques. Les résultats ne sont pas directement exploitables pour les cas d’écoulement mais la méthode devrait être étendue et fournir ainsi le cadre théorique à la prédiction des transitions.