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Objet

Les écoulements diphasiques d'hélium sont souvent retenus comme solution au problème du refroidissement des aimants supraconducteurs, en particulier dans les accélérateurs de particules, car ils garantissent une quasi-isothermie des circuits magnétiques. Leur pouvoir de réfrigération et leur comportement hydrodynamique sont cependant mal connus et continuent de faire l'objet d'études expérimentales importantes au CEA. Dans ce domaine et pour des écoulements verticaux, on cherche à caractériser chaque configuration (distribution spatio-temporelle des phases dans une section de la conduite) d'écoulements par une sorte de <<signature>> et on étudie les possibles mécanismes des changements de configuration.

Description

Le Service des Techniques en Cryogénie et Magnétisme du DAPNIA/CEA dispose d'une station d'essai [1] permettant la mise en oeuvre d'écoulements diphasiques verticaux de titre massique contrôlé. Elle comporte des parties de création du titre, des tronçons d'établissement de l'écoulement, des éléments de visualisation et des capteurs de différents types, pression, température, diffusion de lumière par les interfaces liquide-gaz ou absorption d'électrons par le milieu.

Dans le cadre d'une convention CEA/CNRS, les signaux issus des capteurs sont traités et analysés par le LIMSI en vue de la caractérisation des différents régimes d'écoulement. La caractérisation porte sur quatre grands types d'écoulements qui ont été observés ( photos a …à c) : les écoulements à bulles (diamètres de bulles variables), les écoulement à grosses <<bulles>> (limite de la transition entre l'écoulement à bulles et un écoulement plus complexe gaz-liquide), les écoulements à poches disloquées, et les écoulements annulaires (non reportés).

Résultats et perspectives

Les premier signaux analysés sont issus du capteur à diffusion de la lumière schématisé sur la figure ci-contre. Le cône de lumière propagée normalement à la direction de l'écoulement à partir d'une fibre optique alimentée par une diode laser, est reçu par une fibre optique équivalente. L'intensité reçue est modulée par le passage des interfaces liquides-gaz dans le faisceau. Deux capteurs sont en place sur le circuit. La caractérisation de ces signaux se fait selon deux principales méthodes, d'une part par une analyse spectrale [2],[3], principalement paramétrique, d'autre part par une analyse probabiliste, présentée ici sous forme d'histogrammes. L'analyse spectrale paramétrique consiste en une modélisation AR du signal des fluctuations étudiées. La méthode dite <<de covariance modifiée>> a été utilisée ainsi que l'algorithme rapide de Marple pour obtenir les coefficients du modèle et calculer les densités spectrales paramétriques. Les figures 1 à 4 représentent des résultats préliminaires obtenus pour un écoulement à bulles et un écoulement à poches. Pour compléter ces analyses, une analyse corrélatoire sera entreprise. Ces premiers résultats montrent que l'étude est en bonne voie et permet une <<caractérisation>> qualitative nette des différents régimes.

Références

[1] L. Augyrond, Ph. Bredy, M.X. François, C. Meuris, N. Van Thinh : <<Configurations de quelques écoulements d'hélium I diphasique>>. 5Šème coll. d'Aussois, Cryog‚nie et Supra. 3-5 avril 1997.
[2] N. Van Thinh, M.C. Duluc, M. Mahé, M.X. François, F.Z. Guo : <<Analyse des fluctuations caractéristiques dans les écoulements diphasiques liquide-gaz>>, Actes du CongrèŠs S.F.T. 94 (Soci‚ét‚é Franç‡aise des Thermiciens), Paris, 17-19 mai 1994.
[3] F. Jebali, N. Van Thinh, M.X. François : <<Pool boiling in superfluid helium on a thin horizontal wire>>. Pool Boiling. Eurotherm Seminar n48, Paderborn, Germany, September 18-20, 1996.

*Dapnia/Stcm/CEA.

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