Etude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex : aspect expérimental et numerique

Résumé : L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.