Régimes d'écoulement à l'entrée

Le régime d'écoulement à l'entrée devant conditionner l'hydrodynamique dans le séparateur, il est naturel de commencer notre étude en traçant la carte d'écoulement correspondante (Fig.5.4). Les diérentes limites ont été identiées par visualisation directe, ainsi qu'en se basant sur des photos prises par caméra rapide. La vitesse supercielle de l'air est calculée en supposant que

Figure 5.4 Carte des régimes d'écoulement dans l'entrée du GLCC.

sa masse volumique est égale à 1,2kg/m³ (on néglige donc l'humidité de l'air ; l'hypothèse est

acceptable puisque le débit d'air est mesuré en amont du point de mélangeage).

A priori, la présence de la buse ne doit pas inuencer le régime de l'écoulement dans l'entrée (hypothèse qu'on justiera dans la Section 5.2.3) autrement que par la création d'une perte de charge additionnelle. Ainsi, la pression de travail dans l'entrée va augmenter, ce qui va inuencer la masse volumique du gaz. On vériera plus loin (Section 5.3) que pour la gamme de débits sous laquelle le GLCC fonctionne correctement (sans qu'il n'y ait LCO), la pression de travail dans l'entrée ne s'écarte pas trop de la pression atmosphérique.

La limite des débits Les couples de débits pouvant être mis en jeux sont conditionnés par les capacités de la souante et de la pompe, et par les pertes de charge à travers le système. Ainsi pour les faibles débits d'eau, il existe une limite maximale de débit d'air que la souante peut délivrer. Cette limite est déterminée par la pression maximale obtenue en sortie de la souante. Pour les gros débits d'eau, et à partir d'un certain débit d'air, c'est la pompe qui atteint ses limites. Lorsque le débit d'eau dépasse les 3,5m³/h (la vitesse supercielle rapportée à la section de l'entrée correspondante est à peu près0,35m/s), à moins de maintenir un débit d'air minimal, il y a formation d'un ressaut hydraulique au niveau de la buse d'entrée. Ce ressaut se propage jusqu'à envahir toute l'entrée (et retourner jusqu'à la souante) si on monte encore en débit.

La formation de ce ressaut hydraulique est due au fait que le liquide entrant dans le cyclone arrive à eectuer une rotation complète sur les parois du GLCC, et vient impacter le mélange sortant de la buse avant de descendre. Cette contre pression additionnelle conduit à la formation du ressaut hydraulique4.

Figure 5.5 Régime stratié lisse, Ql =

3,24m3/h (V_s,e,l = 0,32m/s), m˙_g = 0kg/h. Le régime stratié lisse La lecture

bi-bliographique laisse penser que ce régime de-vrait correspondre à un état stratié, où l'in-terface entre les phases est stable, et n'est pas perturbée par la présence de vagues. Or nos ex-périences montrent que quels que soient les dé-bits mis en jeux, diérents types d'ondes et de rides circulent à l'interface. Certaines semblent avoir une origine capillaire, tandis que d'autres plus importantes semblent dues à une déstabili-sation gravitaire (une étude des diérents types d'ondes en régime stratié peut être retrouvée dans [Fernandino2006]).

Il est donc dicile de décider quelle pertur-bation correspond à la transition vers le régime rugueux. On a donc préféré un autre critère

pour délimiter le régime stratié lisse. Il correspond à un régime stratié où les deux phases sont complètement séparées : il n'y a pas présence d'inclusions. La Figure 5.5 montre le régime stratié lisse (Vs,e,l signie Vitesse Supercielle du Liquide ramenée à la section de l'Entrée). La photo est prise par caméra rapide, à mi-distance entre la buse et le point de mélangeage (il en est de même pour les autres photos concernant la conduite d'entrée).

On peut noter (en se basant sur le graphe de la Figure 5.4) que l'écoulement de l'air et de l'eau peuvent être tous deux turbulents sans qu'il n'y ait arrachement de gouttes ou engloutissement de bulles.

4. Le ressaut hydraulique marque une transition entre un régime supercritique et un régime sous-critique. On pourra consulter [Guyon2001] pour plus de détails.

Figure 5.6 Régime stratié rugueux, avec pré-sence simultanée de bulles et de gouttelettes,Q_l= 5,04m3/h (V_s,e,l = 0,498m/s), m˙_g = 108kg/h (V_s,e,g = 8,9m/s).

Le régime stratié rugueux Le régime stratié rugueux est un régime stratié où l'une des phases au moins est également présente sous forme d'inclusions. On a identié deux sous-régimes : un régime où les seules inclusions sont des bulles, et un régime où il existe également des gouttelettes (Fig.5.6). On n'a pas observé des écoulements avec présence de gouttelettes sans qu'il n'y ait des bulles, mais on pense que ce régime est susceptible d'exister pour les très faibles débits de liquide, dans le cas où le lit li-quide est trop mince pour admettre des bulles. On note que lorsque le régime devient ru-gueux, il y a formation d'un lm liquide qui circule sur le haut de la conduite. Ce lm li-quide est dû aux gouttes arrachées depuis le lit liquide et aux vagues, ainsi qu'aux conditions chaotiques à l'entrée. Au début de sa formation, le lm ne circule qu'au centre de la paroi supé-rieure.

Pour des débits d'air susants, les parois latérales de la conduite commencent à être complè-tement mouillées par le liquide.

Le régime annulaire : On a identié la limite de transition stratié rugueux - écoulement annulaire lorsque le transport de liquide sur les parois latérales devenait important. Les surfaces latérales commencent donc à être mouillées alors que le régime est encore de type stratié rugueux. Lorsque le régime d'écoulement est annulaire, le lm liquide inférieur contient toujours des bulles. On a identié deux sous-régimes : le régime classique annulaire-gouttelettes (Fig.5.7a), et pour les taux de liquide plus importants, un régime qu'on a appelé annulaire rugueux avec brouillard (Fig.5.7b). Dans ce second régime, le lm liquide est le siège de vagues de moyennes amplitudes, et le taux de gouttes au c÷ur de l'écoulement est important.

(a) Sous-régime annulaire gouttelettes,

Ql = 2,07m3/h (Vs,e,l = 0,205m/s),

˙

mg = 329kg/h (Vs,e,g = 27,112m/s).

(b) Sous-régime annulaire rugueux avec brouillard, Ql = 4,53m3/h (Vs,e,l = 0,448m/s), mg˙ = 267kg/h (Vs,e,l = 22m/s).

Le régime de bouchons On y a identié trois sous-régimes. Les deux premiers, qu'on a appelés respectivement régime à bouchons et bouchons sur écoulement annulaire, correspondent à des bouchons très aérés (Fig.5.8a). Le premier peut être vu comme une succession de bouchons et d'écoulements stratiés, tandis que le second est vu plutôt comme une succession de bouchons et d'écoulements annulaires. Ces bouchons sont très rapides et violents. Ils se déplacent à des vitesses nettement supérieures que l'écoulement moyen. Compte tenu de la présence importante de bulles dans le bouchon liquide (qui rééchissent bien la lumière), ces bouchons apparaissent comme des masses sombres sur les photos prises par caméra rapide (en rappelant qu'on utilise un éclairage arrière).

Pour les forts débits d'eau et faibles débits d'air, les bouchons sont nettement moins aérés, et se présentent sous la forme de grosses vagues touchant la paroi supérieure (Figure 5.8b). Ces grosses vagues arrivent parfois à déferler. On a appelé ce régime bouchons en vagues déferlantes.

(a) Bouchon aéré arrivant au plan de visualisa-tion Q_l = 6,04m3/h (V_s,e,l = 0,597m/s), m˙_g = 176kg/h (V_s,e,g= 14,503m/s).

(b) Bouchons en forme de grosses vagues Q_l = 8,56m3/h(V_s,e,l= 0,846m/s),m˙_g= 22kg/h(V_s,e,g = 1,813m/s).

Figure 5.8 Régime à bouchons.

La longueur des bouchons dans nos expériences n'excède jamais 5 fois le diamètre hydraulique de la conduite. Ils sont donc beaucoup plus courts que les bouchons classiques en conduite horizontale. On pense que cela est dû à la faible longueur de notre conduite ; les bouchons n'ont pas la possibilité de fusionner ou de s'établir (ces régimes ont parfois besoin d'une longueur de plusieurs centaines de diamètres hydrauliques pour s'établir). L'inclinaison de la conduite joue évidemment un rôle, mais on estime qu'elle ne peut à elle seule être responsable de la petite taille des bouchons.

5.2.2 Identication des régimes par la densité spectrale des signaux de

pression

La frontière de transition entre les diérents régimes d'écoulement n'est pas très nette. En fait, la transition se fait plutôt graduellement et non pas de façon brusque. Pour une meilleure précision, on a tenté d'identier les régimes à partir de la densité spectrale des signaux de pression.

Nous avons placé deux capteurs de pression, respectivement dans le bas et le haut de la conduite d'entrée. Ces capteurs sont reliés à un module ayant une fréquence d'échantillonnage de 800 Hz. Les transformées de Fourier des signaux de pression ont été faites sur Matlab.

Les résultats montrent que :

ê La densité spectrale de puissance admet des pics autour de 50 Hz et à des fréquences encore

plus élevées. Ces fréquences sont sans doute dues à la pompe et à la souante.

ê A part pour le régime stratié lisse où les phases sont en faible interaction, la densité

spectrale de puissance est similaire respectivement pour le signal de pression relevé dans la phase liquide et dans la phase gazeuse. Toutefois, il est préférable de traiter le signal relevé du capteur du bas ; le signal du capteur supérieur étant parfois bruité par l'impact des gouttes et le passage du lm liquide supérieur.

ê En régime stratié lisse, on observe un pic physique autour de 15 Hz. On pense qu'il est dû

aux ondes capillaires à la surface du liquide.

ê Pour tous les autres régimes, on observe un à trois pics à des fréquences inférieures à 5 Hz. Il n'a pas été possible de trouver un critère de transition entre les diérents régimes. On pense que ceci est dû au fait que les écoulements ne sont pas établis, l'inuence de la zone de mélangeage reste très importante, et l'écoulement n'a pas le temps de ltrer/adapter certaines fréquences.

Pour plus de détails sur les régimes d'écoulement dans l'entrée du GLCC, ainsi qu'une étude sur la capacité de la CFD (notamment la méthode VOF) à reproduire les régimes d'écoulement (et la distribution des vitesses et des phases dans un écoulement stratié), on peut consulter [Boungo-Ngakomo2010], un projet de recherche réalisé à l'École Nationale Supérieure des Mines de Nancy et dirigé par l'auteur.