Mise en œuvre d'une méthode expérimentale du grossissement et du détachement

des bulles de vapeur en ébullition nucléée

Cette étude se situe dans le contexte général de l’optimisation des phénomènes de transfert de chaleur et de masse par changement de phase. Son objectif est l’obtention de données expérimentales détaillées et fiables concernant les mécanismes élémentaires de l’ébullition nucléée (croissance, détachement, coalescence, transition vers l’ébullition par film, stabilité de l'interface fluide - vapeur.). Les champs de température et de vitesses en régime transitoire dans le fluide entourant la bulle seront simultanément mesures. Ces résultats sont indispensables pour comprendre et maîtriser les régimes risques de passage du régime d’ébullition nucléée vers l’ébullition par film et pour la validation de nombreuses modélisations et simulations numériques concernant les bulles séparées.

Nos travaux ont principalement porté sur le développement du dispositif et du protocole d'expérimentation. L'étanchéité de la cellule expérimentale a été améliorée pour supporter les pressions allant de 20 à 2000 millibars. Les six hublots en trois directions permettent l'éclairage, et les prises de vues simultanées par deux caméras CCD. La génération des bulles est stabilisée sur une pointe aplatie métallique insérée au milieu d'une pastille de faible conductivité thermique. Deux systèmes d'éclairage sont disponibles: l'un produisant un faisceau cylindrique des rayons pour la prise des images de bulles "de profile" et l'autre envoyant un plan fin de lumière pour l'acquisition des images d'une section du fluide entourant les bulles. Par traitement numérique des prises "de profile" on obtient les différents paramètres des bulles en régime transitoire tels que la forme des bulles (description mathématique), les volumes, les courbures, les vitesses dans chaque point de l'interface fluide - vapeur (Fig.3) et des iso-densités dans le fluide (Fig.4). Pour le fluide ensemencé de cristaux liquides les images des sections permettent d'obtenir le champ de vitesses (PIV) ainsi que le champ de température (PIT). L'acquisition et le traitement des résultats de mesures ont nécessité de développement d'un ensemble d'une quarantaine de logiciels originaux.

Les premières expérimentations ont été effectuées pour l'ébullition de l'eau pure à la pression saturation de 30 à 80 millibars. Dans le cas des modifications brusques du flux thermique et/ou de pressions de saturation nous observons de nombreuses formes de bulles, parfois surprenantes (Fig.1). Pour le départ des bulles nous avons constaté que les bulles se rétrécissent à une certaine distance de la plaque, formant un tube mince de vapeur qui se rompt et est absorbé partiellement par la bulle au départ et partiellement par la plaque chauffante, formant un nouveau site de nucléation (Fig.2). Cela s'explique par de forts couplages thermiques et hydrodynamiques dans le fluide en ébullition et avec la plaque chauffante qui provoqueraient des instabilités de l'interface fluide-vapeur. Nous travaillons actuellement sur une méthode de définition du champ de température dans le cas de l'interface mobile et sur la paramétrisation des mesures. Nous souhaitons aussi de reprendre la modélisation et la simulation numérique fine de ces phénomènes.

[1] T. Kowalewski, J. Pakleza , A. Cybulski, « Particle Image Velocimetry for Vapour Bubble Growth Analysis ». Paper for 18th International Conferene on Laser Anemometry Advances and Applications, September, 6 - 9, 1999,Rome, Italy.

[2] J. Pakleza, T. Kowalewski, J.-B. Chalfen, M.C. Duluc, A. Cybulski, "Mise en œuvre d'un banc d'essais pour l'étude du grossissement, du détachement et de la stabilité des bulles de vapeur en ébullition nucléée". Journées du GREDIC, décembre, 14-15,1999 CEA Grenoble, France.

[3] CNRS, CEA, EDF, "Instabilité et turbulence dans les écoulements diphasiques". Rapport final au 31.12.1999 du Groupement de Recherche 1205 (GREDIC).

 

 

 

 

 

 

 

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