Etude expérimentale d’écoulements gazeux confinés Dans ce chapitre, nous abordons l’étude d’écoulements gazeux dans un canal
5.1 Configuration expérimentale
Dans cette partie, nous utilisons le banc de MTV pour analyser les écoulements gazeux confinés. Le banc d’essais étant déjà décrit dans la partie 3.1, on se contente dans cette partie de montrer un schéma global et simplifié du banc (Figure 5.1) et de donner les caractéristiques principales du canal d’écoulement utilisé.
5.1.1
Protocole expérimental
Le gaz porteur (Ar, He… etc.) sortant du réservoir d’alimentation (Figure 5.1) traverse un réservoir permettant de réduire les fluctuations de pression avant d’être ensemencé en acétone au niveau du bain d’acétone liquide. Ce dernier est maintenu à une température d’environ 10 °C et à une pression légèrement au-dessus de la pression régnant dans le canal. Dans ces conditions, la fraction molaire d’acétone, obtenue avec l’équation (3.1), est typiquement
2 0,15
χ
≈ . Le mélange gazeux arrivant dans le réservoir d’entrée traverse le canal pour ensuite arriver dans le réservoir de sortie. Les deux réservoirs sont équipés de capteurs de pression de type capacitif (Capacitive Gauge - CG) de marque Inficon®, dont les propriétés sont données dans le Tableau 5.1.Inficon® CG 025-1000 Torr
Pression pleine échelle (Pa) 1,333 105 Pression maximale admissible (Pa) 1,333 105 Pression minimale (Pa) 1,333 104
Précision 0,2 % de la lecture Résolution 0,0015 % de la pleine échelle Tableau 5.1 Caractéristiques des capteurs de pression utilisés
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126 Le mélange gazeux sortant du réservoir de sortie est dirigé soit vers l’extérieur via la valve V4 dans le cas d’écoulement à pression supérieure à la pression ambiante, soit vers la pompe à vide via la valve V5 lors d’écoulements à basse pression.
Ne disposant pas de mesures de pressions locales à l’entrée et à la sortie du canal, seules les pressions des réservoirs amont et aval sont mesurées. La différence entre ces deux pressions est de l’ordre de 1 kPa mais la précision absolue des capteurs de pression lorsqu’on est proche de la pression atmosphérique est de l’ordre de 0,2 kPa. D’autre part, ces capteurs ne donnent pas une mesure de la pression au niveau des sections d’entrée et de sortie du canal, c’est pourquoi les pressions relevées par ces capteurs ne sont utilisées que pour le paramétrage du banc d’essais, notamment pour vérifier la stabilité de la pression dans les réservoirs amont et aval.
Figure 5.1 Schéma du banc d’essais de MTV
Avant de commencer chaque test on met le circuit de gaz sous vide pendant une trentaine de minutes et on génère ensuite l’écoulement du mélange à travers le canal comme décrit plus haut. Une fois les pressions aval et amont stabilisées aux valeurs désirées grâce aux vannes V1, V3 et V4/V5, l’acquisition des images (images initiales, images différées) peut commencer. L’acquisition se fait avec la méthode d’intégration (voir partie 3.2). Lors de l’acquisition du signal initial, l’IRO est ouvert 90 ns avant le déclenchement du pulse laser et pendant ∆ =tg 100 ns. Pour le profil initial, on moyenne Ni =10 images, où chaque image est le résultat intégré de Nl =100 pulses laser. On prend ensuite une séquence d’images différées à différents instants après le pulse laser dans un intervalle de temps compris entre 30
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127 µs et 150 µs, avec un pas de 20 µs. Les paramètres d’acquisition d’une seule image du profil
différé sont Nl =100 et Ni =100. La durée d’une acquisition est donnée par
/
acq i l l
t N N f
∆ = ; elle est typiquement de 2 min pour l’image du profil initial et de 20 min pour l’image du profil différé (voir partie 3.3.4.1). La durée est plus longue pour cette dernière car elle est basée sur le signal de phosphorescence, significativement plus faible que le signal de fluorescence sur lequel est basée l’image du profil initial, ce qui nécessite d’acquérir un plus grand nombre de signaux pour obtenir une image exploitable. Le système d’acquisition utilisé dans cette étude, le binning étant activé, permet de couvrir la hauteur du canal avec une soixantaine de pixels. La taille d’un pixel étant de 16,01 µm.
5.1.2
Caractéristiques du canal
Le canal utilisé dans cette étude a été réalisé dans le cadre d’une précédente thèse de l’ICA (Samouda 2012) à l’Institut Technologique de Karlsruhe (KIT). Dans cette partie, nous en donnons les principales caractéristiques.
5.1.2.1 Dimensions et étanchéité
Le canal, fabriqué en Polyétheréthercétone (PEEK), contient deux lentilles en Suprasil® offrant deux accès optiques verticaux au faisceau laser (Figure 5.2). Le Suprasil®, qui est un type spécifique de silice fondue, a été choisi comme matériau des lentilles pour sa bonne transparence aux UV et sa faible luminescence propre suite à une sollicitation par un rayonnement UV. Les deux parois latérales sont fabriquées en verre borosilicate pour permettre un accès optique à la caméra. Le canal est également équipé de trois thermocouples. Il a une longueur Lx =200 mm, une largeur Lz =5mm et une hauteur Ly =1mm.
L’étanchéité au niveau de la partie latérale du canal est assurée par un joint d’étanchéité placé entre le corps du canal en PEEK et la paroi en verre. Des joints toriques sont également utilisés pour assurer l’étanchéité entre les lentilles et le corps du canal. Malgré tous ces efforts pour obtenir une bonne étanchéité, le canal présente des fuites résiduelles significatives. La pression la plus basse que l’on peut atteindre en utilisant une pompe à vide est de l’ordre de 100 Pa et quand on arrête la pompe à vide, la pression remonte jusqu’à la pression atmosphérique en quelques minutes. Des tests réalisés avec un détecteur de fuite à l’hélium montrent que le canal présente des fuites importantes au niveau des fenêtres latérales en verre et des lentilles. La présence de fuites peut introduire des perturbations non négligeables dans l’écoulement mais surtout, le canal non étanche peut laisser entrer des molécules d’oxygène (notamment en fonctionnement à basse pression) et ces dernières, même en faible quantité,
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128 contribuent à l’extinction du signal de phosphorescence via le processus d’extinction partielle décrit dans la partie 3.3.
Figure 5.2 Géométrie du canal
5.1.2.2 Efforts de flexion et déformation du canal
Lors d’écoulement à basse pression, l’environnent extérieur au canal étant à la pression atmosphérique, le canal est donc soumis à une différence de pression (entre l’intérieur et l’extérieur du canal) qui engendre un effort de flexion sur ses parois. En effet, la mesure de la hauteur du canal lorsque la pression à l’intérieur de ce dernier varie montre des variations importantes : elle diminue de 20 % (∆ =Ly 0, 2 mm) dans sa partie centrale lorsque la pression du canal passe de 1 bar à 0,05 bar (Figure 5.3). Un calcul par éléments finis a confirmé que le corps du canal en PEEK se déforme sous l’effet de la pression. Les résultats de ce calcul montrent cependant une déformation plus importante (∆ =Ly 0,8 mm) que celle observée
expérimentalement. Ceci s’explique par le fait que lors du calcul par éléments finis, seul le corps du canal en PEEK est modélisé. L’effet raidisseur résultant du serrage par les plaques latérales en PEEK et du blocage exercé par la fenêtre en verre insérée dans un lamage du corps de canal n’a pas été pris en compte, ce qui explique la surestimation du calcul de la déformation.
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Figure 5.3 Images brutes montrant le profil du canal : (a) image à p=0, 05 bar, Ly =0,8109 mm; (a) image à 1bar
p= , Ly=1, 006 mm.
Cette déformation du canal induit par la baisse de la pression implique des déplacements au niveau des joints, ce qui contribue à augmenter les fuites et ainsi à ajouter une difficulté supplémentaire lors de l’analyse d’écoulements à basse pression.
Comme le déplacement des parois (de l’ordre de 0,1 mm) est faible devant la longueur du canal ( 200 mm ), nous supposons que le canal reste localement plan même à basse pression. Pour chaque expérience de MTV, nous déterminons les positions des parois (supérieure et inférieure) avec une méthode optique (voir partie 5.3.1) et nous calculons la hauteur Ly du canal correspondante qui sera ensuite utilisée dans l’analyse de l’écoulement.