Evaporation et Condensation Turbulente – TEC2

Pour étudier expérimentalement le comportement de gouttelettes dans un écoulement turbulent, il est indispensable de pouvoir suivre en temps réel leur trajectoire. C'est un véritable défi, puisqu'il faut déterminer à chaque instant la position dans l'espace et le diamètre de gouttelettes en mouvement de quelques dizaines à centaines de microns, dans un espace de plusieurs dizaines de centimètre-cube. Nous avons développé dans ce projet plusieurs techniques nouvelles pour résoudre ce problème : l'holographie numérique, qui consiste à réaliser des hologrammes à l'aide d'un laser et d'une caméra CCD rapide et utiliser une méthode inverse pour reconstituer les images et déterminer la taille des gouttes tout le long de leur mouvement; la trajectographie 3D, à l'aide de quatre caméras ultra-rapides, associée à des techniques nouvelles d'éclairage et de traitement des données. Les expériences ont été réalisées dans une soufflerie spécifique à fort taux de turbulence, dans une «boîte de turbulence« originale utilisant des haut-parleurs pour produire la turbulence et un montage où la turbulence est produite par la rotation de deux disques contrarotatifs (Ecoulement de Von Karman). L'approche expérimentale a été complétée par des simulations numériques massives, dans lesquelles sont résolues exactement les équations de la mécanique des fluides, à la fois pour étudier le changement de phase à l'échelle d'une seule bulle ou d'un réseau de bulles, et pour de très grands ensembles de particules ponctuelles (de l'ordre du milliard) dans un écoulement turbulent homogène et isotrope.

Parmi les résultats marquants, nous avons mis en évidence la non uniformité du taux d'évaporation des gouttes au cours de leur trajectoire, qui dépend étroitement de l'histoire des gouttes dans la turbulence. En effet, celles-ci ont tendance à explorer des régions particulières de l'écoulement, ce qui modifie sensiblement les échanges convectifs. On peut espérer obtenir à partir de ces résultats des lois d'évaporation plus exactes que les lois empiriques utilisées jusqu'à présent. A rapprocher de ce résultat, la découverte par simulation numérique du rôle des fronts de température et de concentration sur le changement de phase, les particules s'accumulant préférentiellement dans ces régions. La simulation a mis également en évidence un mécanisme inattendu de collisions multiples entre mêmes particules, qui pourraient bien avoir des conséquences importantes sur les coalescences, et en particulier la croissance des gouttes de pluie. Les expériences menées montrent bien rôle des zones d'accélération nulle sur la ségrégation, et confirment au moins pour la gamme de paramètre abordée ici, un des mécanismes proposés pour expliquer le phénomène.

Ce projet a permis de répondre à plusieurs questions ouvertes sur l'effet de la turbulence sur le changement de phase en milieu diphasique dispersé. Les perspectives offertes portent sur plusieurs points :
- Améliorer les modèles existants pour les lois d'évaporation ou de condensation en présence de turbulence. Ce travail est en cours.
- Introduire les effets de taille finie des particules dans les modèles macroscopiques : la présente étude a montré les limites de l'approche particules ponctuelles. Des résultats très intéressants ont déjà été obtenus à l'échelle de quelques objets, le passage à l'échelle macroscopique reste encore à faire.
- Développer des modèles lagrangiens pour décrire les phénomènes de ségrégation et de concentration préférentielle et leur effet sur l'évaporation/condensation. TEC2 a permis de montrer que le nombre de Stokes ne suffit pas pour décrire le processus, et des modèles stochastiques ont pu déjà être proposés.
- Continuer les investigations sur les collisions interparticulaires en turbulence, qui montrent l'importance des collisions multiples même en milieux a priori dilués.

L'ensemble des résultats de cette étude à caractère fondamental a été publié dans 25 revues à comité de lecture et 50 conférences, nationales ou internationales.