GROUPE TRANSFERTS SOLIDE-FLUIDE
Exemples d'activités de recherche du
groupe
INTRODUCTION
Les recherches menées dans le groupe Transferts Solide-Fluide (TSF) portent sur
différents types de transferts - transferts de masse, de chaleur ou de quantité
de mouvement- dont la caractéristique commune est qu'ils sont localisés à une
interface entre un solide et un fluide. Selon les cas, le solide est poreux,
microporeux, plus ou moins rugueux, ou encore idéalisé. Si certains travaux
cherchent à mettre en lumière les phénomènes fondamentaux à l'oeuvre dans telle ou telle situation, d'autres visent à comprendre et
modéliser des procédés qui sont principalement pilotés par un transfert entre
un solide et un fluide.
La plupart des recherches menées dans le groupe sont expérimentales :
cinétiques d'adsorption, équilibres de coadsorption, résistance de Kapitza,
ébullition sur fil, croissance de bulles de vapeur. Cependant, il faut aussi
dire que ces travaux font appel à des modèles numériques. Dans certains cas,
parce que l'expérience ne donne pas directement accès aux grandeurs
fondamentales qui nous intéressent et que ces dernières sont alors évaluées
grâce à l'ajustement sur les mesures des résultats numériques issus de
modèles plus ou moins sophistiqués ; la précision de cette évaluation dépend
alors fortement de la qualité de la modélisation. Dans d'autres cas, parce
que les modèles numériques donnent une description plus complète du système
et que ces informations supplémentaires apportent une grande aide dans
l'interprétation des mesures.
Les autres recherches sont essentiellement numériques : écoulements dans des
milieux poreux périodiques anisotropes, analyse de systèmes thermodynamiques -
soit pour la réfrigération à adsorption soit dans le champ de la convection
naturelle. Lorsque la possibilité nous en est donnée, ces résultats numériques
sont comparés soit aux expériences soit aux résultats d'autres modèles, ou
encore ils sont utilisés pour dimensionner des machines à construire.
Les problèmes que nous étudions mettent souvent en jeu deux échelles, l'une
dite locale et l'autre dite globale ; une description correcte du couplage
entre ces deux échelles est alors essentielle pour une bonne résolution de
ce type de problèmes. En voici quelques exemples. Le calcul fin de
l'écoulement d'un fluide entre des particules solides disposées en réseau
périodique donne le tenseur de perméabilité de ce milieu poreux anisotrope.
Les coefficients de diffusion d'un gaz donné dans les macropores et les
micropores d'un adsorbant donné sont évalués à partir de mesures macroscopiques
de température, pression et volume. Les valeurs expérimentales de la
résistance de Kapitza donnent accès à la diffusion des phonons par les
rugosités nanométriques de l'interface solide -- hélium II.
Pour résumer : entre fondamental et appliqué, entre expérimental et numérique,
entre micro et macro.
Le groupe TSF rassemble un chercheur, un professeur, trois maîtres de
conférence, un ingénieur de recherche (le détachement de V. Bourdin depuis
un poste de maître de conférence à l'Université d'Evry sur un poste IR CNRS a pris effet en
juin 2001 ; depuis, V. Bourdin contribue à mi-temps à la Cellule de
Soutien Expérimental du Département Mécanique-Énergétique), une assistante
ingénieur et une doctorante, sans oublier la contribution de J. Pakleza en
tant que chercheur associé.
De nombreuses collaborations sont entretenues par les membres du groupe TSF,
surtout avec d'autres laboratoires de recherche français, mais l'international
et l'industrie sont aussi présents.
Si une seule tendance générale devait être indiquée pour brosser l'activité
du groupe en 2001, ce pourrait être le renforcement du potentiel expérimental
par des investissements, en particulier dans différents systèmes d'acquisition
de données.
THÈME 1 : ADSORPTION SOLIDE-GAZ
V. Bourdin, D. Bisch
Dans ce domaine, deux problèmes font l'objet d'expérimentations au LIMSI : la
cinétique d'adsorption de gaz purs, et les équilibres de coadsorption.
Le montage expérimental qui permet de mesurer les cinétiques d'adsorption a
été mis en place puis développé par Ph. Grenier. Son originalité consiste à
avoir combiné la méthode de réponse en fréquence avec une mesure infrarouge
(c'est-à-dire non intrusive et sans inertie) de la température de surface de
l'échantillon adsorbant. En 2001, la qualité expérimentale de cet équipement
a encore été améliorée, par une meilleure régulation de la température du
corps noir de référence, une meilleure focalisation des faisceaux infrarouges
et une instrumentation plus fine. Ce banc peut maintenant faire des mesures
à température assez élevée (au-dessus de 120°C) ainsi que sur des grains faits
de cristaux de petite taille, du moins lorsque les cinétiques sont assez
lentes. Ces nouvelles performances nous permettent d'étudier des systèmes, ou
des conditions, qui ne peuvent être explorés que dans quelques laboratoires
de par le monde.
En 2001, ont été étudiées les isothermes et les cinétiques d'alcanes ramifiés
dans une silicalite industrielle, un système où la précision des mesures
s'avère cruciale. Les résultats sont présentés dans
une des pages suivantes.
Ce programme va se poursuivre avec l'étude d'un autre alcane. En outre,
quelques mesures ont été réalisées sur la diffusion de butane dans une
mordénite de référence fournie par le LCOS (Villeurbanne), première étape
avant l'étude de mordénites modifiées.
Le banc de mesure des équilibres de coadsorption utilise le principe suivant.
En plus d'un système volumétrique, somme toute classique et qui donne le
nombre total de moles adsorbées, un système d'interférométrie laser permet
de mesurer l'indice de réfraction du mélange gazeux en équilibre avec
l'adsorbant. Or l'indice de réfraction d'un gaz dépend de sa pression, sa
température et
de sa composition ; la corrélation correspondante
peut être établie par une précalibration. Grâce à cette donnée expérimentale
supplémentaire, l'indice de réfraction, la composition du mélange gazeux après
adsorption peut être connue. Ce point est essentiel dans le domaine de la
coadsorption, car il donne accès à la
quantité adsorbée de chacun des constituants, et ce sans recours à la moindre
hypothèse sur la phase adsorbée. L'apport scientifique en est que des données
complètes d'équilibres de coadsorption seront disponibles, auxquelles pourront
être confrontées les différentes théories de coadsorption, et qui pourront
mettre en évidence des effets inattendus, par exemple des interactions entre
molécules adsorbées. Cependant, il n'est pas aisé de mesurer un indice de réfraction avec
suffisamment de précision, suffisamment de stabilité, et dans les conditions
prévues (par exemple le mélange gazeux devra circuler dans les canalisations
afin de s'homogénéiser). La mise au point de cet équipement est près d'être
aboutie. En 2001, les efforts ont porté sur la mesure d'intensité du faisceau
laser et sur la chaîne d'acquisition des données. Les premières mesures ont
concerné la corrélation entre indice de réfraction et composition du gaz.
Ensuite, une première campagne d'expériences a été menée sur le système
Ambersorb 600 + azote + dioxyde de carbone. Nous espérons pouvoir présenter
des résultats l'an prochain.
Mentionnons encore que ces deux types de mesure (cinétiques et équilibres
de coadsorption) ont un intérêt fondamental, mais aussi un intérêt industriel.
THÈME 2 : HOMOGÉNÉISATION DE MILIEUX
POREUX
M. Firdaouss
À long terme, le but de ces travaux est de comprendre les écoulements, ainsi
que les mécanismes de transport, dans des milieux poreux complexes.
Premièrement, nous étudions comment le tenseur de perméabilité d'un milieu
poreux anisotropique dépend du détail de la géométrie. Deuxièmement, il est
intéressant de comparer les résultats de notre modèle détaillé à des formules
obtenues à partir d'hypothèses simplificatrices ; cela permet de connaître le
domaine de validité de ces formules simplifiées. Troisièmement, le problème de
l'interface entre un milieu poreux et un volume fluide est intéressant, car
il correspond à des configurations réelles. Enfin, il arrive souvent qu'une
grandeur scalaire (température ou composition) soit transportée par un fluide
à travers un milieu poreux, ce qui soulève le problème de l'interférence
entre convection et diffusion.
Pour toutes ces problématiques, notre outil principal est un code résolvant
les équations de Navier-Stokes par la méthode des éléments finis. Les équations
sont homogénéisées par la condition de périodicité et résolues dans le domaine
fluide compris entre des grains solides imperméables. La forme de ces grains solides peut être choisie : cercles, rectangles, triangles, etc. L'anisotropie du milieu peut donc être due à la forme de ces grains comme à leur disposition spatiale.
En 2001, l'étude de l'anisotropie de milieux poreux bidimensionnels a été menée
en collaboration avec P. Lallemand (ASCI, Orsay). La géométrie retenue est un
arrangement périodique de cylindres de section triangulaire. D'une part, les
résultats de notre code Navier-Stokes sont comparés à ceux obtenus avec un
code Boltzmann-gaz sur réseau développé à l'ASCI. Les résultats des deux
approches sont tout à fait comparables, non seulement pour le tenseur de
perméabilité mais aussi pour la description de l'écoulement autour des
triangles. D'autre part, ce travail montre que pour certaines configurations,
pourtant géométriquement anisotropes, le vecteur vitesse macroscopique est
aligné
avec le gradient de pression, c'est-à-dire que le milieu se comporte
comme un milieu
isotrope.
Par ailleurs, Jean Prieur du Plessis (Université de Stollenbosch, Afrique du Sud)
a passé un mois au LIMSI, ce qui a permis d'étudier la perméabilité de milieux
poreux bidimensionnels composés de grains solides rectangulaires disposés dans
une maille rectangulaire. En supposant que l'écoulement entre deux faces
solides parallèles est du type Poiseuille, Jean Prieur du Plessis obtient la
perméabilité du milieu avec une simple formule analytique. Nous avons comparé
ses résultats avec les valeurs issues de notre code Navier-Stokes ;
l'accord est excellent, tant que la porosité reste inférieure à 0,6.
Ce travail, détaillé dans
une des pages suivantes, soulève la question de
l'effet de la tortuosité. Cette question sera certainement reprise
ultérieurement car elle était déjà apparue dans le problème du transport
d'un soluté dans un milieu poreux anisotrope, problème toujours à l'étude ainsi que celui des écoulements dans une cavité partiellement poreuse.
THÈME 3 : MODÉLISATION ET ANALYSE SECOND PRINCIPE
DE SYSTÈMES
M. Pons
Ce thème, qui a passé un tournant en 2000, comporte maintenant deux aspects.
Le premier, en quelque sorte historique, concerne la modélisation et l'analyse
second principe de machines frigorifiques -ou pompes à chaleur- à adsorption.
Le second aspect, récent, étudie la thermodynamique de la convection naturelle.
THÈME 4 : TRANSFERTS DE CHALEUR À L'INTERFACE SOLIDE-HÉLIUM
SUPERFLUIDE
Pour ce thème, nos travaux sont à la fois fondamentaux et appliqués.
THÈME 5 : TRANSFERTS THERMIQUES EN PRÉSENCE
D'ÉBULLITION
Les recherches sur ce thème sont principalement expérimentales et suivent
trois axes.
Le second axe, l'étude de la convection naturelle laminaire, s'est bien
développé en 2001, grâce à la coordination et aux contributions de différentes
personnes du Département. Le montage expérimental développé dans notre groupe
pour l'étude de l'ébullition sur fil, a été associé à l'installation de
Vélocimétrie par Images de Particules (
F. Lusseyran et
P. Gougat, groupe
Dynamique des Fluides et Turbulence)
et les champs de vitesse transitoires ainsi mesurés
ont pu être comparés aux champs calculés numériquement (
S. Xin et
P. Le Quéré, groupe
Dynamique des Transferts et Instabilités).
Ce travail est présenté en
détail parmi les activités de ce dernier groupe.
Dans le troisième axe aussi, l'étude de la croissance des bulles de vapeur,
des résultats importants ont été obtenus. Premièrement, la méthode de
Vélocimétrie par Images de Particules, qui au LIMSI utilise le traitement par
flot optique, a été appliquée au fluide entourant la bulle. Un écoulement
secondaire dans le fluide a ainsi été mis en évidence. Ce point est important,
d'abord parce que cet écoulement est macroscopique et met en jeu tout le fluide
contenu dans la cellule expérimentale, ensuite parce que la plupart des modèles
numériques actuellement développés font l'hypothèse d'un fluide globalement au
repos autour de la bulle. Il en résulte que des efforts importants sont encore à
faire, d'un côté pour bien contrôler les conditions expérimentales, de l'autre
pour étendre la modélisation numérique à des échelles nettement plus importantes
que la taille de la bulle. Deuxièmement, la mise en oeuvre
d'une caméra rapide a énormément amélioré les capacités de nos mesures, surtout
pour l'évolution du contour de la bulle et son interprétation. Plus de
détails sont donnés sur
une des pages suivantes.
L'étude de la croissance de bulles de vapeur est devenue un sujet très actif,
expérimentalement comme numériquement, c'est pourquoi les laboratoires
suivants se sont associés pour former, dans le
réseau AmETh, un nouveau projet consacré
à ce problème : CETHIL à Villeurbanne, CEA-Grenoble, IMFT à Toulouse,
IUSTI à Marseille, MASTER à Bordeaux et le LIMSI. N'oublions pas non plus
de mentionner la collaboration très active avec T. Kowalewski
(IPPT, Varsovie, Pologne).
ACTION SPÉCIFIQUE : ÉBULLITION D'AZOTE LIQUIDE
EN MILIEU CONFINÉ
En réponse à un problème posé par Air-Liquide, une thèse de doctorat (BDI CNRS) a débuté
en septembre 2001 pour étudier expérimentalement les interactions entre
l'hydrodynamique de l'azote liquide dans un ensemble de canaux verticaux
et les régimes d'ébullition. L'installation expérimentale et les outils
d'analyse sont en cours d'élaboration et de construction dans les locaux
de Air-Liquide. Dans une première étape, les mesures chercheront à déterminer
comment le débit vaporisé et la configuration de l'écoulement diphasique
dépendent des conditions expérimentales, débit liquide et puissance de
chauffe.
Organisation de colloques
Participation à des comités éditoriaux
Activités ou responsabilités d'enseignement liées à la Recherche
Formation permanente
Actions de vulgarisation
Responsabilités institutionnelles
Relations scientifiques
Conventions de recherche et contrats
Relations scientifiques
La première activité est toujours vivante mais uniquement en collaboration,
actuellement avec l'École d'Ingénieurs du Canton de Vaud (EIVD,
Yverdon-les-Bains, Suisse). Premièrement, nos résultats numériques ont permis
de dimensionner le composant principal d'un réfrigérateur solaire à adsorption,
à savoir le capteur solaire contenant l'adsorbant. La machine a été construite
et est en test à l'EIVD. Les performances réelles en 2000 et 2001 sont, à peu
près, 50% au-dessus de celles trouvées dans la littérature. Ces très bons
résultats font de ce prototype la base d'une technologie prometteuse pour être
transférée, par l'intermédiaire d'une ONG, vers des pays en développement.
Deuxièmement, F. Buchter (EIVD) a passé au LIMSI un mois pendant lequel a été
affinée la description par notre modèle du cycle à adsorption d'un
réfrigérateur solaire. Reste maintenant à y affiner la description du capteur
solaire.
La seconde activité, qui se développe depuis 2000, questionne la
thermodynamique de la convection naturelle, en particulier de l'approximation
de Boussinesq. En premier lieu, l'analyse thermodynamique montre qu'en plus
des trois paramètres qui caractérisent traditionnellement un problème de
convection naturelle (le rapport de forme, le Prandtl du fluide et le nombre
de Rayleigh) il en existe un quatrième sans lequel les bilans complets en
énergies ne peuvent pas être posés. Ce quatrième paramètre est
M.X. François, J. Amrit
L'aspect fondamental s'intéresse à la résistance au transfert de chaleur
localisée à l'interface entre un solide et l'Hélium superfluide,
résistance dite de Kapitza. En effet, entre les valeurs
expérimentales de cette résistance et les valeurs prédites par différentes
théories, en particulier celle de Khalatnikov, existe un désaccord qui peut
excéder un rapport de 20. Les raisons de ce désaccord ne sont toujours
pas élucidées.
L'aspect appliqué touche à l'optimisation thermique de la mise en oeuvre
des cavités supraconductrices pour accélérateurs de particules. Dans ces
cavités supraconductrices, faites en Niobium, le champ accélérateur
induit un courant électrique à la surface interne de la cavité. À cause de la
résistance électrique de surface, l'effet Joule provoque une dissipation de
chaleur et la température de la cavité tend à croître. La surface externe de
la cavité, elle, est refroidie par l'Hélium superfluide. Dans la paroi de la
cavité, la température dépend de
l'équilibre entre d'une part l'intensité de la chaleur dissipée par effet
Joule et d'autre part l'efficacité du transfert de chaleur vers le bain
d'Hélium, à travers la résistance conductive de la paroi de Niobium plus
la résistance de Kapitza. Or, lorsque sa température augmente, le Niobium
quitte son état supraconducteur et le champ accélérateur est diminué.
Notre analyse montre que c'est la résistance de Kapitza qui contraint le plus
le champ accélérateur. Toute amélioration du transfert de chaleur vers
l'Hélium superfluide, possible grâce à une meilleure connaissance de la
résistance de Kapitza et des facteurs qui la réduisent, conduit donc à un
meilleur fonctionnement de l'accélérateur de particules.
Notre installation expérimentale a permis de mesurer systématiquement la
résistance de Kapitza pour des échantillons (de Niobium et de Silicium)
avec différents degrés de pureté ou différents états de surface. Ces
mesures et notre modélisation des transferts de chaleur montrent qu'un
traitement adéquat de la surface externe des cavités supraconductrices
permet d'augmenter le champ accélérateur maximal. Ces résultats
sont présentés dans
une des pages suivantes.
Quant à l'étude fondamentale, nos mesures de la résistance de Kapitza sur
des échantillons dont la rugosité est caractérisée par microscopie à
force atomique, et la première analyse que nous en faisons, semblent mettre en
évidence que les phonons sont diffusés par l'interface solide-Hélium.
Selon une théorie d'Adamenko et Fuks, cette diffusion des phonons est
provoquée par les rugosités de la surface puisque leur taille, de l'ordre du
nanomètre, est comparable à la longueur d'onde des phonons. Nos mesures
semblent bien confirmer cette hypothèse, du moins autour de 2 K, et semblent
expliquer l'écart, évoqué plus haut, entre mesures et prédictions
théoriques de la résistance de Kapitza. Nous nous intéressons maintenant
à la corrélation entre la longueur d'onde des phonons dans l'Hélium
superfluide et la taille des rugosités à l'échelle considérée.
L'avenir est donc surtout expérimental : détermination couplée de la
conductivité thermique réelle et de la résistance de Kapitza pour les
cavités supraconductrices, étude de l'influence de la température sur la
diffusion des phonons. Ce sont les points sur lesquels vont porter nos prochains
efforts.
Mentionnons enfin que ces travaux sont menés en collaboration avec
H. Safa, DAPNIA/SEA, CEA (Saclay).
M.C. Duluc,
J. Pakleza
Le premier axe concerne l'étude des transitoires d'ébullition autour d'un fil.
L'expérience consiste à enregistrer, en partant d'un état
d'équilibre à la température de saturation, l'évolution de la température moyenne de
l'élément chauffant suite à un échelon de flux. Les résultats obtenus
les années précédentes avaient montré que les conditions de
déclenchement de l'ébullition sont déterminantes pour l'évolution
ultérieure du transfert de chaleur. Cette année, l'étude a porté sur
l'influence de l'intensité de l'échelon de flux. L'ensemble de la
caractéristique d'ébullition a été balayé, mettant en évidence
différents comportements possibles. Nous avons notamment pu identifier les
gammes de flux pour lesquelles l'ébullition se déclenche en retard par
rapport à ce qui se passerait en stationnaire. Ce retard, lié à
l'activation des sites de nucléation, est un problème complexe,
théoriquement comme expérimentalement. Ces résultats expérimentaux et
cette analyse sont cohérents avec d'autres travaux expérimentaux conduits
au CETHIL (Villeurbanne) et au LEMTA (Nancy) dans le cadre d'un réseau
AmETh
M.X. François, G. Defresne, A. Planchette
- M.X. François est membre du comité d'organisation de International Conference of Cryogenics Refrigeration, programmée pour 2003 à Hangzhou, Rép. Pop. Chine.
- M.X. François : Journal de Physique III, Cryogenics.
- M.X. François est coresponsable du DEA Dynamique des Fluides et des
Transferts pour l'Université Paris 6 ; il y assure aussi l'enseignement
Fluides complexes et diphasiques.
- M. Pons assure l'enseignement de Conduction et rayonnement dans le
DESS Simulations en Dynamique des Fluides et des Transferts, Université
Paris-Sud.
- J. Amrit : L'Hélium superfluide dans la formation à la Cryogénie.
- V. Bourdin : Énergies renouvelables et économies d'énergie, dans la
formation Gestion du Patrimoine Immobilier à l'Université d'Évry (IUT).
- M.X. François : formation à la Cryogénie.
- Au Forum La Science et Nous, l'Odyssée des Bâtisseurs, du 16 au
22 Octobre 2001, à Fontenay sous Bois :
- Participations aux Commissions de Spécialistes de différentes
universités : Paris-6 (M.C. Duluc, M.X. François), Paris-7 (M.C. Duluc),
Paris-11 (J. Amrit, M.X. François), Université Marne-la-Vallée (M. Pons).
- M.X. François est membre du bureau de l'AFF (Association Française
du Froid), affiliée à l'IFF (Institut Français du Froid).
- Collaboration avec P. Lallemand (ASCI, Orsay), sur les écoulements
dans les milieux poreux périodiques.
- Participation au projet ébullition transitoire du réseau AmETh,
en collaboration avec le CETHIL (Villeurbanne) et le LEMTA (Nancy).
Ce thème est coordonné par M.C. Duluc.
- Création dans le réseau AmETh d'un nouveau thème, consacré à la croissance
des bulles de vapeur, avec le CETHIL (Villeurbanne), l'IUSTI (Marseille),
l'IMFT (Toulouse), le MASTER (Bordeaux) et le CEA-Grenoble.
- Collaboration avec H. Lefèvre, du Laboratoire de Chimie Organométallique
de Surface (Villeurbanne), sur la diffusion dans des zéolites modifiées.
- Projet commun soumis à l'Agence Européenne de l'Espace, avec
E. Chassefière, Institut Pierre Simon Laplace, sur l'utilisation
de l'adsorption dans la recherche spatiale ; le projet n'a pas été retenu
cette année.
- Participation à un réseau naissant consacré aux Nouvelles Méthodes en
Thermodynamique, dans le cadre de la Société Française de Thermique, de
la Société Française de Génie des Procédés et du CERET.
- Collaboration, sur l'hydrodynamique et l'ébullition en azote liquide, avec
Air-Liquide, qui cofinance la bourse de thèse correspondante (bourse BDI).
- Collaboration avec C.Z. Antoine et H. Safa, (DAPNIA/SEA au CEA,
Gif-sur-Yvette, France) sur les transferts de chaleur entre un solide et
l'Hélium superfluide.
- Institut Français du Pétrole, sur la diffusion d'alcanes dans une zéolite
industrielle, dans le cadre d'un réseau de trois laboratoires français
(le LRRS de l'Université de Bourgogne à Dijon, l'IRC à Villeurbanne, et
le LIMSI). Ce contrat sera renouvelé en 2002.
- Collaboration avec Jean Prieur du Plessis (Université de Stollenbosch,
Afrique du Sud), sur les écoulements dans les milieux poreux.
- Collaboration avec Ph. Dind, C. Hildbrand, F. Buchter et J. Mayor
(Ecole d'Ingénieurs du Canton de Vaud, Yverdon-les-Bains, Suisse), sur
la réfrigération solaire.
- Collaboration avec T. Kowalewski (Académie des Sciences, IPPT-PAN, Varsovie,
Pologne), sur la croissance de bulles de vapeur.