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Objet

Les écoulements à bulles d'hélium diphasique constituent la configuration la plus répandue des écoulements diphasiques rencontrés dans les circuits de réfrigération des aimants supraconducteurs. On peut ainsi garantir un pouvoir de réfrigération de l'écoulement maximum caractéristique de l'ébullition nucléée d'un liquide. Les inconnues du problème sont, du point de vue expérimental, le titre et le taux de vide maximum avant coalescence des bulles et apparition des poches ainsi que les fluctuations de pression associées à chaque configuration. Elles sont, du point de vue de la modélisation, la détermination d'un modèle décrivant les résultats de l'expérience. Les travaux expérimentaux sont effectués au CEA à Saclay dans le Service des Techniques en Cryogénie et Magnétisme (STCM) [1] et l'analyse est effectuée en collaboration avec le LIMSI dans le cadre d'une convention CEA/CNRS [2].

Description

Le STCM dispose d'une station d'essai [1] permettant la génération d'écoulements établis d'hélium avec des titres massiques à l'entrée ajustables, des sections de visualisation et de mesure de taux de vide ou absorption de flux lumineux. Les capteurs développés comportent entre autres un capteur à fibres optiques non intrusif et un capteur à électrons, ce dernier permettant la mesure du taux de vide de l'hélium diphasique sans perturber l'écoulement. Les signaux issus du capteur à fibres optiques ont été analysés par le LIMSI pour la caractérisation des différents régimes d'écoulement [2].

Résultats et perspectives

La visualisation à travers des clichés photographiques a permis de relever certaines caractéristiques des principaux régimes, caractéristiques qui ont été ensuite approfondies par l'analyse des signaux. On observe ainsi (photo) que l'écoulement à bulles reste très organisé pour de faible titre ( x < 0.05 ). Les mesures de taux de vide ont permis d'observer son évolution en fonction du titre massique (Figure 1). On observe un changement de pente caractéristique d'un changement de régime d'écoulement. Cette même transition est présente sur la Figure 2 représentant les écarts types du signal issu du capteur à fibres optiques non intrusives. On note que le début de la transition de l'écoulement à bulles pour de faible titre vers un écoulement à grosses bulles ou petites poches correspond avec le maximum de l'écart type des fluctuations (point A sur les figures 1 et 2). L'analyse probabiliste permet également de caractériser cette transition. La figure 3 représentant les coefficients de dissymétrie obtenus à partir des densités de probabilité montre que le passage à zéro a lieu pour les trois débits vers la valeur du titre correspondant à cette transition (x # 0.01). L'analyse spectrale par les densités spectrales paramétriques obtenues révèle également un mode dominant traduisant une régularité spatiale prononcée (Figure 4). Enfin, l'analyse en termes de chaos déterministe montre clairement la fin de l'organisation et la disparition du régime à bulles (Figures 5 et 6). Elle confirme la distribution aléatoire des structures de poches dans l'écoulement dès la disparition du régime à bulles. L'ensemble des moyens expérimentaux et les méthodes d'analyse ont permis d'obtenir une bonne caractérisation des écoulements à bulles, l'étude pourra être approfondie pour les autres régimes.

Références

[1] L. Augyrond : "Contribution à l'étude des écoulements diphasiques verticaux hélium", Thèse de doctorat de l'Université Paris VI, 30 avril 1998.
[2] N. Van Thinh : "Etude des écoulements diphasiques verticaux liquide-gaz d'hélium. Caractérisation des différents régimes." Rapport de contrat CEA/CNRS, avril 1998.
*Dapnia/Stcm/CEA.

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