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Transport et mélange dans des écoulements gravitaires confinés – GIMIC

Résumé de soumission

Contexte scientifique. - La mise en contact de deux fluides miscibles de densités différentes en configuration instable génère des mouvements de convection spontanés conduisant au mélange des fluides. Ces processus ont été très étudiés dans le cas non confiné d'une interface étendue où se développent simultanément de multiples modes d'instabilités en interaction. - Notre projet s'intéresse au contraire à des écoulements confinés transversalement alors que la propagation longitudinale reste libre. Sur le plan fondamental, le nombre de modes est réduit et les scénarios sont plus simples. Sur le plan des applications, de tels mélanges gravitaires confinés apparaissent dans la complétion des forages pétroliers, en génie chimique et thermique (réacteurs allongés, échangeurs tubulaires), en environnement (polluants en eau peu profonde) et en océanographie. - - Objectifs et configurations étudiés. - Notre objectif est de comprendre la physique du mélange à l'échelle locale dans les écoulements confinés à partir d'expériences fines et de simulations numériques dans deux configurations complémentaires. L'interpénétration transitoire de solutions salines de différentes concentrations occupant chacune initialement la moitié de la longueur d'un tube vertical ou incliné et mises en contact est étudiée expérimentalement au laboratoire FAST et numériquement à l'IMFT. Le contre-écoulement globalement stationnaire associé au transfert de chaleur dans un canal reliant deux chambres de températures différentes est étudié expérimentalement à l'ENS-LYON et sera modélisé numériquement au FAST. On a dans les deux cas un processus similaire d'interpénétration longitudinale induite par gravité tempérée par le mélange transverse dû aux instabilités de cisaillement. D'autres propriétés des deux systèmes diffèrent et les rendent complémentaires : le caractère transitoire du premier permet d'analyser la dynamique du front alors que la stationnarité du second permet des enregistrements temporels longs. Par ailleurs les nombres de Prandtl/Schmidt sont très différents à cause de la diffusivité plus élevée de la chaleur par rapport à celle du soluté et on peut ainsi analyser leur influence. Dans les deux cas, une large part des études utilise des canaux inclinés où la composante transverse de la gravité sépare partiellement les fluides lourd et léger et permet une description simple sous forme d'un contre écoulement des fluides couplés par une zone de mélange. - - Etudes antérieures. - Les expériences précédentes ont mesuré des grandeurs macroscopiques : flux de chaleur, gradient de température moyen, vitesse de front, profil de concentration le long du canal. Dans les deux systèmes, ces études mettent en évidence un type particulier de turbulence de propriétés originales. Des longueurs/temps caractéristiques ont été déterminés sur les deux systèmes et des lois d'échelle ont été proposées pour la dépendance du mélange transitoire de soluté par rapport aux paramètres de contrôle (viscosité, contraste de densité, diamètre de tube). Enfin, les simulations numériques de l'IMFT reproduisent bien qualitativement les cartes de concentration mesurées au FAST. - - Méthodologie. - Notre approche associe des mesures locales à haute résolution (température, vitesse, concentration) et des simulations numériques pour étudier la structure locale de l'écoulement (profils transverses de concentration, de température et de vitesse) et ses propriétés statistiques (spectres, corrélation spatiale et temporelle) en fonction des paramètres de contrôle. La comparaison des deux types d'expériences (transfert thermique ou de solutés) et des simulations permettra d'évaluer l'influence des processus diffusifs à travers celle des nombres de Schmidt et de Prandtl. Nous étudierons également l'influence du confinement en faisant varier la taille et la géométrie des canaux. Nous évaluerons enfin numériquement et/ou expérimentalement l'extension possible de ces études aux fluides n

Coordination du projet

Jean Pierre HULIN (Organisme de recherche)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Aide de l'ANR 290 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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