Interactions entre films liquides et motifs de surface : caractérisations et simulations multi-échelles – FILLMORE

De nombreux procédés et systèmes technologiques mettent en œuvre des films liquides ruisselants afin d’intensifier les transferts de matière et/ou de chaleur. Cette stratégie est utilisée en particulier dans les tours de refroidissement par évaporation, les processus d'absorption et de distillation, la capture du CO2, le dessalement ou les systèmes de refroidissement pour la mobilité électrique. Les films liquides minces s’écoulent généralement sur des surfaces complexes, caractérisées par la présence et la répétition de motifs de surface tels que des ondulations, des fentes ou des perforations. Depuis les travaux pionniers de Nusselt et Kapitza, les écoulements de films liquides ont fait l'objet d'une littérature abondante, la configuration de référence étant la plaque plane verticale ou inclinée. Cependant, il y a beaucoup moins d'études sur les interactions entre les films liquides et les motifs de surface et elles considèrent principalement l'effet des ondulations sur la dynamique des films tombants.
Le projet FILLMORE vise à augmenter la connaissance, la compréhension et la maîtrise des interactions entre les films liquides et les motifs de surface, en examinant en particulier comment ces interactions se manifestent aux différentes échelles d’espace, dans le but d’optimiser les transferts, et de proposer des solutions plus appropriées pour atteindre une meilleure efficacité, une plus faible consommation d'énergie et une meilleure empreinte environnementale.
Si l'échelle macroscopique dépend fortement du processus multi-physique ou du système étudié, les échelles méso et micro ont un caractère générique. Le projet est donc fondé sur l'étude de géométries génériques représentatives des structures rencontrées dans différents secteurs industriels. Ces géométries sont choisies pour se concentrer sur l'effet de la mouillabilité et des motifs de surface sur les écoulements de films liquides. Elles sont simplifiées pour permettre des expériences aux conditions contrôlées et des simulations sur des configurations bien définies. Le premier objectif est de produire des données expérimentales complètes et détaillées aux échelles micro et méso. Les écoulements sur ces géométries élémentaires seront soigneusement caractérisés (morphologie de l'écoulement, modes de franchissement des motifs, cartes d'épaisseur de film, champ de vitesse, et débit transféré par les perforations). Une nouvelle méthode de vélocimétrie 3D3C ne nécessitant qu’une seule caméra sera en particulier mise en œuvre. Le deuxième objectif est d'étendre cet ensemble de données avec des simulations numériques micro-résolues et de haute fidélité (CFD), avec une validation minutieuse du suivi de l'interface et la dynamique des lignes triples. Le troisième objectif est de développer des modèles appropriés à la méso-échelle (modèles de Saint-Venant moyennés sur l'épaisseur du film) sur la base de ces données expérimentales et numériques. Le quatrième objectif est d'optimiser la géométrie des motifs, en utilisant des simulations de systèmes industriels représentatifs, où des films liquides tombant sur des géométries complexes sont rencontrés, simultanément avec d'autres phénomènes physico-chimiques pilotés par l'hydrodynamique, tels que le transfert interfacial de chaleur et de masse ou la réaction chimique sur les surfaces ; visant à proposer des concepts innovants (éléments géométriques, stratégie d'alimentation en fluide...) en utilisant ces outils numériques. Ces approches seront appliquées à deux cas réels : l'optimisation des tours de refroidissement pour minimiser l'encrassement tout en garantissant l'efficacité du refroidissement, et le refroidissement direct des moteurs électriques.