Etude expérimentale des mécanismes d’intensification des transferts de chaleur dans les films ruisselants et instables à l’aide de mesures basées sur la fluorescence induite par laser

Le ruissellement de films liquides minces sur des surfaces planes inclinées se rencontre dans de nombreux procédés, notamment les colonnes de condensation à films tombants, les désorbeurs et absorbeurs à plaques. Dans ces procédés, le liquide tombe généralement le long d’une surface verticale, ces conditions promeuvent la déstabilisation de la surface libre du film liquide et la formation de vagues qui apportent une intensification substantielle des transferts de chaleur et de masse à travers le film liquide. Les mécanismes exacts à l’origine de cette intensification ne sont toutefois pas encore complètement élucidés. Il est donc nécessaire d’envisager des études expérimentales pour caractériser les transferts. Les couplages entre hydrodynamique et transferts thermiques, la faible épaisseur des films, ainsi que la nature complexe des instabilités rendent néanmoins relativement difficile l’obtention de mesures et leur analyse.

Dans cette étude, le comportement dynamique de films liquides minces s’écoulant le long d’un plan incliné et chauffé uniformément est caractérisé. Ces mesures sont couplées à des mesures basées sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs qui permettent de quantifier l’échauffement du film. Dans un premier temps, des mesures de la température moyenne dans l’épaisseur du film ont été réalisées. Elles ont permis de quantifier l’influence des principaux paramètres de l’écoulement (nombre de Reynolds, angle d’inclinaison de la paroi inclinée et la fréquence des vagues) sur le nombre de Nusselt local [1]. Dans un deuxième temps, afin d’obtenir des informations plus détaillées, la technique précédente a été étendue à de l’imagerie en éclairant le film perpendiculairement au sens de l’écoulement par un plan laser [2]. Les images obtenues permettent d’observer le champ de température dans l’épaisseur du film avec une résolution de quelques dizaines de microns. L’évolution de la couche limite qui se développe le long de la paroi chauffée a été étudiée pour quelques configurations d’écoulement dans lesquelles les vagues conservent un aspect bidimensionnel. A proximité de l’entrée du film, sur une distance de quelques centimètres, la croissance de la couche limite thermique suit le modèle classique de Nusselt pour un film liquide non-perturbé car son épaisseur reste faible par rapport à celle du film. Au-delà d’une distance critique, proportionnelle au nombre de Péclet, l’épaisseur de la couche limite se rapproche de celle du film. La théorie classique de Nusselt diverge alors des résultats expérimentaux et ce d’autant plus que les vagues ont une grande amplitude. Un modèle simplifié est proposé pour des amplitudes de vague modérées. Dans ce cas, la structure interne du film peut continuer à être décrite par un champ de vitesse de type parabolique, et la diffusion thermique est le mécanisme dominant du transfert dans la direction normale à la paroi chauffée. Pour les amplitudes plus élevées, les résultats mettent en évidence des zones de recirculation dans les bosses ainsi que le décollement de la couche limite thermique au niveau des creux capillaires.

Références :

[1] R. Collignon et al., Experiments in Fluids 63 (2022) 68 doi:10.1007/s00348-022-03420-x

[2] R. Collignon et al., Experiments in Fluids 62 (2021) 115 doi:10.1007/s00348-021-03175-x