Figure

Objet

Une étude expérimentale de croissance de bulle de vapeur est développée. Son objectif est l'acquisition de données expérimentales fiables destinées à contribuer à une meilleure connaissance des mécanismes physiques ainsi qu'à alimenter les modèles numériques apparus ces dernières années. L'interaction entre les approches numérique et expérimentale doit permettre des progrès significatifs dans la compréhension de ce phénomène complexe.

Description

Le dispositif de mesure est constitué d'une enceinte cubique de 8 cm de côté équipée de hublots sur ses faces latérales et supérieure. Le fluide utilisé est de l'eau sous une pression comprise entre 1 et 10 kPa. La bulle est générée sur un point chaud à la base de la cavité, sa croissance est visualisée par caméra rapide noir et blanc (4500 images/seconde). Le traitement d'images permet de déterminer avec précision plusieurs paramètres pertinents parmi lesquels la vitesse de déplacement du contour ou l'évolution temporelle de l'angle de contact entre l'interface et la paroi (ligne triple) [1].

Résultats et perspectives

Un exemple de résultats est présenté sur la figure 1. La bulle tout d'abord hémisphérique (0,44 ms) prend très rapidement une forme de sphère tronquée. Aux alentours de 6 ms, la base se rétrécit conduisant au départ de la bulle (9,33 ms<t<9,56 ms). Les instants ultérieurs rendent compte de l'interaction de la bulle avec le liquide froid (condensation et collapse). Le vecteur vitesse de déplacement du contour, calculé par la méthode du flot optique [2], est présenté sur la figure 2. Les premiers instants sont caractérisés par une forte vaporisation (la composante normale de la vitesse peut atteindre 1,5 m/s). Le frottement en paroi freine le déplacement de la base qui s'immobilise (t≈ 4ms) tandis que seule la partie supérieure de la bulle est encore le siège de production de vapeur. Son et al., à partir d'un modèle numérique, suggèrent que ce gradient de vitesse le long de l'interface engendre dans le liquide adjacent deux circulations, qui en retour repoussent la base de la bulle vers l'intérieur, conduisant à son départ (6,22 ms<t<9,33 ms). Juste avant son départ, (t=9,33 ms) la bulle se referme sur elle-même, et entraîne du liquide lors de son ascension. Du fluide froid vient alors mouiller la paroi et le cycle recommence. Le diamètre équivalent de la bulle (calculé sous l'hypothèse d'axisymétrie en considérant une sphère de même volume), le diamètre de sa base et sa hauteur sont représentés en fonction du temps sur la figure 3. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus numériquement par Fujita et Bai sur de l'eau à la pression atmosphérique. L'évolution temporelle des angles de contact apparents, représentée sur la figure 4, met en évidence des variations significatives en début et en fin de cycle.

Afin de confirmer le rôle joué par le fluide adjacent, cette étude demande à être poursuivie par la détermination du champ de vitesse instantané dans le liquide. La mesure par PIV couplée à la caméra rapide sera mise en oeuvre prochainement. En outre, les résultats obtenus confirment combien les modèles numériques apparus récemment sont prometteurs.

Références

[1] J. Pakleza et al. :  "Méthodologie expérimentale pour la croissance de bulles de vapeur en site isolé ", Congrès SFT 2001, pp. 467-472, 2001.
[2] G. Quénot et al. :  ``Particle image velocimetry with optical flow ''. Exp. in Fluids 25, pp. 177-189, 1998.
[3] G. Son et al. :  ``Dynamics and heat transfer associated with a single bubble during nucleate boiling on a horizontal surface'', J. Heat Transf., vol. 121, pp. 623-631, 1999.
[4] Y. Fujita and Q. Bai :  ``Numerical simulation of the growth for an isolated bubble in nucleate boiling'', Proc. 11^th Int. Heat Transf. Conf., vol. 2, pp. 437-442, 1998
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¹ Académie des Sciences, IPPT PAN, PL 00049, Varsovie

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