Mélange induit par gravité

Personnes impliquées : J. Znaien, Y. Tanino, F. Moisy, D. Salin, J.-P. Hulin.

Le mélange de fluides de densités différentes intervient dans un grand nombre de situations pratiques, telle la complétion de puits pétroliers après forage, le fonctionnement de réacteurs chimiques etc.

Nous nous intéressons ici au mélange sous l’effet de la gravité de deux fluides de densités différentes initialement séparés dans une configuration instable (fluide lourd situé au-dessus du fluide léger) et ce, dans la géométrie confinée d’un tube s'inclinable depuis la verticale jusqu'à l'horizontale (l'angle est fixe pour chaque expérience).

Fig. 1 - Dispositif expérimental : tube inclinable de 4m de long et de 2cm de diamètre.

L'écoulement résulte d'une compétition entre différents mécanismes :

• Interpénétration des deux fluides de densité différente sous l’effet de la composante longitudinale de la gravité.
• Mélange transverse, en particulier par les instabilités de type Kelvin-Helmholtz à l’interface entre les deux fluides en contre-écoulement.
• Ségrégation des deux fluides dans la section du tube induite par la composante transverse de la gravité.

En faisant varier les paramètres de contrôles de l'expérience, angle d'inclinaison du tube et contraste de densité, on observe grande variété de comportement de l'écoulement, allant d'un mélange turbulent important pour un tube proche de la verticale et un contraste de densité élevé à un contre écoulement stable sans mélange convectif pour un tube proche de l'horizontal et un contraste de densité faible, en passant par suite de phases d'écoulement laminaire et d'explosions turbulentes.

Fig. 2 - Champ de concentration normalisé lors du mélange de fluides miscibles dans un tube incliné de 45°.

Cette étude a été effectuée en collaboration avec l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (Y. Hallez et J. Magnaudet) et le Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon (J.-C. Tisserand, F. Chilla et B. Castaing) dans le cadre du projet ANR 'GIMIC'.

Publications

• Lock-exchange flows in inclined pipes: the relevance of the Prandtl mixing length model
  Y. Tanino, F. Moisy and J.-P. Hulin, J. Turbulence 16 (5), 484-502 (2015)
  [Abstract]
• Laminar-turbulent cycles in inclined lock-exchange flows
  Y. Tanino, F. Moisy, J.-P. Hulin, Phys. Rev. E 85, 066308 (2012).
  [Abstract | PDF]
• Flow structure and momentum transport for buoyancy driven mixing flows in long tubes at different tilt angles
  J. Znaien, F. Moisy, J.-P. Hulin, Phys. Fluids 23, 035105 (2011).
  [Abstract | PDF]
• Experimental and numerical investigation of flow structure and momentum transport in a turbulent buoyancy-driven flow inside a tilted tube
  J. Znaien, Y. Hallez, F. Moisy, J. Magnaudet, J.-P. Hulin, D. Salin, E. J. Hinch, Phys. Fluids 21, 115102 (2009).
  [Abstract | PDF]
• Front dynamics and macroscopic diffusion in buoyant mixing in a tilted tube
  T. Séon, J. Znaien, E. J. Hinch, B. Perrin, D. Salin, and J. P. Hulin, Phys. Fluids, 19,125105 (2007)
• Transient buoyancy-driven front dynamics in nearly horizontal tubes
  T. Séon, J. Znaien, E. J. Hinch, B. Perrin, D. Salin, and J. P. Hulin, Phys. Fluids , 19,123603 (2007)