B ILAN SUR LES CONDITIONS DE REALISATION DE L ’ ETUDE

2.4.1 Définition des Régions d’Intérêt (RI) ...57 2.4.2 Rappel sur l’ensemble du dispositif expérimental et description du protocole de mesure ...58 2.4.3 Bilan des paramètres contrôlés et grandeurs mesurées ...60

2.1 Description de la configuration expérimentale

La configuration académique définie dans le chapitre précédent est consacrée à l’étude de l’évaporation d’un film liquide stagnant sur une paroi verticale placée dans un écoulement pariétal. L’approche expérimentale choisie doit permettre d’évaluer l’influence des conditions aérodynamiques et thermiques sur l’intensité des transferts et sur la structure d’une distribution de vapeur formée par l’évaporation du film. Plus particulièrement, cette étude se concentre sur la contribution de la vitesse de l’écoulement pariétal ainsi que de la température de l’interface, siège du changement de phase. Par l’intermédiaire du contrôle de ces paramètres physiques, il est possible de mettre en lumière un certain nombre de phénomènes liés aux mécanismes de couplages intervenant lors de l’évaporation. Afin de répondre à cet objectif, le dispositif expérimental développé pendant ce travail doit permettre de :

- déposer un film liquide combustible de type alcane sur une paroi verticale,

- contrôler et fixer les grandeurs aérodynamiques et thermiques autour de ce film liquide, ces paramètres jouant un rôle majeur dans la génération de vapeur par évaporation.

2.1.1 Mise en place du film liquide combustible

L’hydrodynamique d’un film liquide, tout particulièrement dans une position verticale, introduite de nombreuses problématiques, en raison de l’apparition et du développement d’instabilités, ce qui modifie fortement les conditions aérodynamiques et thermiques de l’interface liquide/gaz. Dans le but de fixer la topologie de l’interface de changement de phase, un film liquide stagnant a été obtenu en utilisant un milieu poreux entièrement saturé de liquide. Cette approche est souvent choisie pour les études fondamentales sur les couplages entre les transferts de masse et de chaleur lors de l’évaporation [43],[50] en l’absence de considération hydrodynamique. Les limites, et les implications de ce choix seront discutées à plusieurs reprises dans ce mémoire.

Choix du matériau poreux

Le matériau sélectionné pour la paroi poreuse est composé de silicate d’alumine (Mullite). Ses caractéristiques présentent un bon compromis au regard des contraintes imposées par l’étude expérimentale (voir Annexe B) :

- thermiques : faible conductivité thermique et faible coefficient de dilatation, - radiatif : absorbant dans le domaine de l’infrarouge lointain,

- mécanique : facile à usiner pour la réalisation des plaques poreuses, - constitutif : forte porosité et propriété de mouillabilité aux n-alcanes.

De plus, le choix du matériau a été effectué en fonction de plusieurs paramètres permettant d’assurer au mieux la création d’une configuration proche d’un film stagnant :

- sa comptabilité physico-chimique avec la plupart des alcanes,

- son importante surface d’échange effective (surface de liquide) liée à ses propriétés intrinsèques.

L’entreprise PACT a fourni le matériau sous forme de pavés de dimensions : 80 x 80 x 40 𝑚𝑚3. Ces pavés ont ensuite été retravaillés en atelier puis placés dans un support de résine époxy DURALCO 4525 moulé illustré Figure 2.1.

Figure 2.1 : Photo de la surface du poreux PACT dans son support en époxy

Le rôle du support époxy est double, en plus d’assurer l’étanchéité sur les faces latérales, il contient également un dispositif de chauffage autonome résistif. L’ensemble est conçu pour être encastré dans une plaque de quartz imperméable profilée. Le choix de ce matériau est effectué à partir d’un compromis entre sa facilité d’utilisation et ses propriétés intrinsèques.

Propriété intrinsèque du matériau

L’aspect le plus important du point de vue des transferts de masse est la surface effective d’échange reliée à la porosité, cette dernière représentant le volume de vide par rapport au volume total du matériau. Le parallèle entre la surface effective d’échange et la porosité est souvent utilisé dans les approches globales de séchage de milieu poreux [51],[52], D’autres grandeurs comme la topologie de la surface du poreux ainsi que la distribution de tailles de pores sont particulièrement importantes pour assurer la comparaison entre le film liquide continu stagnant et le matériau saturé. En particulier, les effets de courbure d’interface appelés « effet Kelvin » peuvent avoir un impact sur l’équilibre thermodynamique local et donc sur la condition limite thermodynamique à l’interface de changement de phase. Dans le cas de notre étude, la forte porosité du matériau utilisé ainsi qu’une taille de pore suffisante sont des facteurs intrinsèques qui permettent de négliger ces effets interfaciaux. La pression hydrostatique dans le matériau placé à la verticale pouvant aussi provoquer des disparités de courbure d’interface, nous avons donc choisi d’injecter le liquide dans la partie supérieure de la face arrière afin d’assurer au mieux la saturation du matériau.

0,5 cm

Support epoxy

Afin d’étendre la gamme de mesure, et de minimiser l’effet des macropores lors de l’évaporation, deux autres matériaux, fournis par la société SCERAM, ont été sélectionnés. Le premier est aussi une Mullite, avec des proportions d’Al2O3 et SiO2 différentes de la mullite PACT et le second est un carbure de silicium. Parmi les trois types de matériau disponible, la mullite PACT présente cependant la meilleure surface effective d’échange grâce à sa très forte porosité. Il présente néanmoins une surface avec des aspérités importantes (quantifié par une profondeur caractéristique appelée rugosité) et une large répartition de tailles de pores par rapport aux deux autres matériaux. Nous pouvons retrouver ces valeurs dans le Tableau 2.1 pour les trois matériaux, initialement sélectionnés pour cette étude.

Nom commercial

Composition chimique

Porosité Taille de pore (μm) Rugosité

(μm) Mullite PACT Silicate d’alumine 70% 20-200 100 Mullite SCERAM Silicate d’alumine 30% 60 40 CaSi SCERAM Carbure de Silicium 30% 30 60

Tableau 2.1 : Données fournisseurs des matériaux testés dans le cadre de l’étude

Malgré leur caractéristique de rugosité plus intéressante dans le cadre d’une application optique, leurs propriétés de porosité n’ont pas permis d’obtenir de débit d’évaporation significatif ni de champ de fraction de vapeur exploitable dans le cadre de ce travail. La raison principale de ce résultat provient de l’intensité des transferts de masse qui sont très inférieurs à ceux constatés sur le poreux PACT à cause de leur plus faible porosité. La faible surface d’échange effective des deux autres matériaux étant bien plus fiable, une adaptation des diagnostics de mesure est à envisager.

Choix du liquide de travail

Le choix du liquide de travail s’est orienté vers un fluide mono constituant plutôt que vers un carburant traditionnel. Ce choix permet un meilleur contrôle des propriétés d’évaporation et permet d’éviter des effets non contrôlés (présence d’huile et de résidus, évaporation préférentielle, etc..) et facilite la comparaison avec les simulations numériques. Le liquide de travail a été déterminé à partir de plusieurs critères :

- une absence de toxicité des vapeurs dans les conditions d’utilisation du dispositif expérimental,

- une proximité des propriétés thermochimiques avec l’essence et permettant la comparaison avec l’étude numérique de Iafrate [19] (cf. Chapitre 4),

- une compatibilité thermophysique avec le matériau poreux et de miscibilité avec un traceur adapté au diagnostic de fluorescence.

Le n-heptane, de la famille des alcanes est le composé le plus approprié qui respecte les critères exposés précédemment. C’est un fluide couramment utilisé dans les développements numériques appliqués au domaine des études sur les moteurs essence [8], [11], [53]. Afin de pouvoir étudier l’évolution de la concentration de la phase vapeur, un traceur fluorescent doit être ajouté au n-heptane. Ce traceur doit avoir des propriétés physico-chimiques proches du n-heptane et présenter des caractéristiques optiques permettant une visualisation aisée de sa fluorescence. Le développement du diagnostic de FIL a essentiellement été consacré à l’étude de l’évolution de la fluorescence du mélange n-heptane/3-pentanone en fonction de la proportion des constituants. Ce développement a permis d’aboutir à une optimisation de l’intensité du signal de fluorescence sans atteindre la saturation du signal par self-quenching. À présent que les solutions techniques pour simuler la présence d’un film stagnant ont été exposées, nous allons maintenant nous intéresser au moyen mis en œuvre pour le contrôle des conditions aux limites de la configuration expérimentale.

2.1.2 Contrôle des conditions aux limites aérodynamiques

Le contrôle des conditions aux limites est assuré par deux parties du dispositif : la soufflerie et la paroi profilée.

Description de la soufflerie

La soufflerie utilisée lors des mesures de cette étude est une soufflerie déjà existante au laboratoire [18],[54]. Le dispositif complet est un système permettant de générer une flamme oblique de pré-mélange (cf. Figure 2.2).

1. Un régulateur de débit massique thermique permet de réguler la vitesse de l’air, préalablement purifié et séché, dans une gamme de vitesse comprise entre 0 et 7 𝑚. 𝑠−1. L’air est injecté dans un collecteur à l’aide de quatre injecteurs.

2. Un système d’injection de méthane permet d’introduire et de mélanger le gaz à l’air dans un étage en aval du collecteur.

3. Un tube rempli de billes de différents diamètres favorise l’homogénéisation du mélange.

4. Un troisième étage permet l’introduction de particules pour les diagnostics lasers comme la PIV.

5. Un coude divergent avec aubages permet de redresser l’écoulement et son passage à la verticale ascendant.

6. Une chambre de tranquillisation permet d’uniformiser le débit d’air à partir d’une structure en nid d’abeille et quatre grillages fins.

7. Un convergent associé à la chambre de tranquillisation permet d’obtenir un écoulement laminaire en sortir de soufflerie avec une turbulence résiduelle inférieure à 5 %.

8. La sortie de la soufflerie est une veine d’air de section carrée (115 x 115 mm²), elle est située dans la partie supérieure du dispositif.

L’éléments 2. n'a naturellement pas été utilisé dans le cadre de cette étude. La caractérisation de l’écoulement provenant de la soufflerie est présentée en Annexe A.

Le système de la paroi profilée

Le film liquide et son support formant le système {support+poreux} sont encastrés dans une plaque imperméable dont le bord d’attaque est profilé (voir Figure 2.3 et Figure 2.4). Cet ensemble est placé dans l’écoulement à l’aval de la sortie de la soufflerie.

Figure 2.3 : Photo du poreux enchâssé dans la plaque imperméable

La plaque imperméable est constituée de quartz transparent à la lumière visible et aux infrarouges (nécessaire pour la mesure de l’épaisseur d’un film dans l’étude de Borgetto [18]). Le bord du poreux est placé affleurant à la plaque imperméable afin de ne pas

Poreux Plaque

perturber l’écoulement dans la couche limite. Le contrôle des propriétés aérodynamiques est ainsi assuré par la forme de la paroi ainsi que par la vitesse de l’air générée par la soufflerie.

(a) Coupes locales du dispositif ^{(b) Vue de face de la paroi et du matériau poreux}

Figure 2.4 : Principales cotations du système d'injection de liquide et localisation du poreux repéré en couleur orange

La Figure 2.5 illustre les profils de la vitesse moyenne axiale 𝑢̅ dans la couche limite aérodynamique 𝛿𝑎 obtenus par Anémométrie Laser Doppler (ADL). Cette figure montre que les profils adimensionnés en fonction de la variable 𝜂 = 𝑥𝑤/2√𝑢_∞/(𝜈𝑧_𝑤) se rapprochent d’un profil théorique type Blasius [55].

Figure 2.5 : Profils de la vitesse moyenne axiale dans la couche limite aérodynamique 𝜹𝒂

La Figure 2.6 présente la disposition de chacun des organes du dispositif expérimental ainsi que le repère 𝑅𝑤 attaché à la Zone d’Étude (ZE). Cette ZE est un plan vertical situé dans le plan médian de la paroi ainsi que dans l’écoulement. Cette région, accolée au poreux, est le

𝑢̅

/𝑢

𝛿

lieu des mécanismes de transfert de quantité de mouvement, de chaleur et de masse sur laquelle porte cette étude. Elle est donc localisée sur toute la longueur de la paroi, du bord d’attaque de la plaque imperméable jusqu’au bord supérieur du poreux.

L’injection du liquide est assurée en face arrière de l’ensemble {support+poreux}, permettant d’assurer un dépôt uniforme sur la surface du poreux sans interférer avec les diagnostics de mesure mise en place sur la face avant. Le support du poreux est monté sur un réchauffeur composé d’une structure en double peau. Le liquide est acheminé à travers un débitmètre Coriolis Bronkorst et d’un régulateur passif piloté depuis un réservoir grâce à une pompe réglable. Le contrôle du débit par le régulateur assure la saturation du milieu poreux en suivant un protocole de compensation décrit en Annexe F. L’injection du liquide sur la partie supérieure de la face arrière et l’ajustement du débit injecté permet de garder une courbure d’interface liquide gaz quasi plane au niveau des pores. L’évaporation se produit à l’interface de la paroi poreuse opposée à l’injection. L’écoulement du film liquide n’est pas provoqué afin de conserver des conditions d’échanges thermiques et massiques fixes et assurer la similitude avec le film stagnant et s’affranchit des instabilités hydrodynamiques qui se développent sur les films ruisselants.

Figure 2.6 : Présentation du système d'alimentation en liquide, de la paroi profilée et de la soufflerie et introduction du repère associé à la paroi 𝑹𝒘= (𝑶; 𝒙⃗⃗⃗⃗⃗ ; 𝒚𝒘 ⃗⃗⃗⃗⃗ ; 𝒛_𝒘 ⃗⃗⃗⃗ ) ainsi que la Zone d’Étude _𝒘

Dans cette section nous avons présenté les moyens mis en œuvre pour contrôler des conditions aux limites aérodynamiques. Nous allons maintenant décrire les moyens utilisés pour le contrôle et la mesure des conditions limites thermiques.

Réchauffeur Système de remplissage Alimentation en liquide Paroi poreuse Veine d’air Paroi 𝑥_𝑤 𝑦_𝑤 𝑧_𝑤

2.1.3 Contrôle et mesure des conditions aux limites thermiques

Le contrôle des conditions aux limites thermiques du poreux saturé en liquide dans la ZE est assuré par l’intermédiaire de plusieurs dispositifs. Les températures de l’écoulement incident et de la plaque imperméable profilée sont quant à elles maintenues à température ambiante.

Système de contrôle de la température du poreux

La température de surface du poreux saturé en liquide est fixée par l’équilibre thermique entre trois flux de chaleur (cf. Figure 2.7).

1. Un préchauffage du liquide en amont dans le circuit d’acheminement par le réchauffeur isolé par de la laine céramique.

2. Un flux conductif provenant du support en résine époxy du poreux. Le support, encastré dans la plaque imperméable profilée, est composé d’une structure dans laquelle a été coulé un fil résistif qui produit un flux de chaleur par effet Joule.

3. Un flux radiatif provenant d’une source infrarouge Burda 1000 W céramique placée à une distance de 250 mm de la paroi.

Figure 2.7 : Disposition des systèmes de chauffage

Deux thermocouples de type K (diamètre de soudure de 200 𝜇𝑚) ont été placés sur le trajet du liquide à l’entrée et au centre du poreux pour assurer un contrôle thermique du dispositif. En ce qui concerne la température de la surface exposée à l’écoulement d’air, la nature complexe de l’interface du poreux saturé en liquide pose un certain nombre de problématiques dues à l’alternance entre les interfaces liquides/gaz et solide/gaz. Il est donc nécessaire de s’interroger sur la mesure de température réalisée sur cette face.

Mesure de la température de l’interface de changement de phase

La mesure de la température de changement de phase du liquide est capitale dans la compréhension des mécanismes de transfert de masse. L’évaluation de l’hétérogénéité du champ de température dû à l’alternance de la présence des pores est souvent négligée dans les analyses numériques [56]. En réalité, les mesures réalisées par une sonde ou bien par un diagnostic optique ne sont que des images de cette température. Une première étape consiste

3

2

donc à montrer que la température mesurée par un thermocouple appuyé sur la paroi mouillée est une bonne approximation de la température de l’interface de changement de phase. Pour évaluer sa pertinence, on se propose de comparer les temps caractéristiques relatifs des mécanismes au sein du poreux.

Le temps de séjour du liquide dans le milieu poreux 𝑡𝑠𝑒𝑗 a été évalué à partir du débit injecté dans le cas le plus court à 𝑡𝑠𝑒𝑗 = 400 𝑠. Le temps caractéristique relatif au transfert thermique conductif instationnaire 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑑 dans le liquide est homogène à :

𝑡_{𝑐𝑜𝑛𝑑}=^(𝑑/2)2

𝛼 (2.1)

où 𝑑 est le diamètre moyen d’un pore et 𝛼 [𝑚2. 𝑠−1] est la diffusivité du n-heptane liquide. Ce temps caractéristique a été évalué dans le cas le plus défavorable à 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑑= 1 𝜇𝑠. Il est donc possible de supposer que le liquide et la matrice solide sont à la même température dans tout le poreux saturés. La nature endothermique de l’évaporation a en revanche tendance à refroidir le liquide à l’interface de manière plus intense que la partie solide du matériau. Il faut donc s’interroger sur la signification physique de la mesure réalisée sur la surface du poreux saturé en liquide à l’aide d’un thermocouple.

Signification physique de la température de l’interface liquide/vapeur 𝑻𝜮

Afin de clairement assimiler le film stagnant au milieu poreux saturé en liquide, il faut s’assurer que la mesure réalisée par thermocouple est représentative de la température de l’interface liquide/vapeur.

La Figure 2.8 illustre la différence entre les températures d’interface 𝑇Σ, température de paroi 𝑇_𝑤 et température du liquide 𝑇𝑙.

Le refroidissement en un point 𝑀(𝑥2, 𝑧₁) de l’interface liquide/vapeur résulte du flux thermique latent 𝜙𝑒𝑣𝑎𝑝(𝑥₂, 𝑧₂) qui est relié au flux de liquide évaporé 𝜙𝑚 via la relation :

𝜙_{𝑒𝑣𝑎𝑝} = 𝐿_𝑣𝜙_𝑚 (2.2)

dans laquelle 𝜙𝑚 est le flux de vapeur évaporé [𝑘𝑔. 𝑚−2. 𝑠−1] et 𝐿𝑣 la chaleur latente de vaporisation du liquide [𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1]. Ce flux thermique est la conjugaison des flux conductifs verticaux 𝜙𝑧 et horizontaux 𝜙𝑥 en lien avec les différences de température à la paroi. Expérimentalement, l’épaisseur de la soudure, de la taille d’un pore, est telle que la température mesurée est au mieux une représentation à la fois de la température de la paroi 𝑇_𝑝, de l’interface 𝑇Σ et du liquide 𝑇𝑙. Néanmoins, le préchauffage du liquide permet de diminuer l’amplitude de ces différences de température et on supposera qu’elles sont négligeables.

Figure 2.8 : Schéma du milieu poreux saturé en liquide et schématisation des flux conductifs dans un pore

Dans le cas de la configuration expérimentale, on considère donc que la température mesurée par le thermocouple maintenu en contact avec la paroi est égale à la température d’interface 𝑇Σ ainsi qu’a la température de la paroi 𝑇𝑝.

2.1.4 Bilan sur le contrôle des conditions expérimentales

Le dispositif expérimental permet d’étudier l’évaporation d’un film liquide mince et vertical déposé sur une surface rugueuse par l’intermédiaire d’un poreux saturé dans l’air au repos, ou en présence d’un écoulement pariétal. Le contrôle des conditions aux limites thermiques et aérodynamiques permet de réaliser 28 combinaisons à partir de quatre configurations thermiques et de sept configurations aérodynamiques. Le contrôle des conditions aux limites thermiques et aérodynamiques est assuré par :

- la soufflerie et la veine d’air qui permettent un contrôle des conditions aérodynamique,

- les échangeurs qui préchauffent le liquide et le matériau poreux ainsi que la source radiative qui permettent de fixer la température de surface de la paroi poreuse transpirante,

- la nature et la topologie du matériau poreux qui permettent de fixer la condition hydrodynamique de l’interface de changement de phase.

L’analyse du phénomène d’évaporation nécessite la détermination de plusieurs grandeurs physiques, de nature globale et locale. Les parties suivantes sont consacrées à la présentation des divers diagnostics de mesure consacrée à la mesure de ces grandeurs.

- Les deux grandeurs globales ciblées sont la température moyenne de surface du matériau poreux et le débit d’évaporation. Elles permettent de mener une approche sur l’étude des transferts de masse et de chaleur à l’échelle du poreux.

𝑇

(𝑥

, 𝑧

)

𝑇

(𝑥

, 𝑧

)

𝑇

(𝑥

, 𝑧

)

𝜙

𝜙

Paroi

poreuse

𝑧

𝑥

𝜙

𝑀

- Les deux grandeurs locales ciblées sont la quantité de vapeur dans la phase gazeuse et la température du mélange. Ces grandeurs permettent quant à elle une analyse locale de la distribution de vapeur à une altitude fixée.

L’un des objectifs principaux de cette étude est l’obtention d’un champ de concentration de vapeur quantitative afin d’apporter une description de la couche de vapeur provenant de l’évaporation du film. La méthode de mesure choisie est la Fluorescence Induite par Laser