Influence d'une phase dispersée sur le mélange dans l'écoulement de Taylor-Couette

L’écoulement de Taylor-Couette entre deux cylindres concentriques (cylindre interne en rotation et cylindre externe fixe) est actuellement mis à profit au CEA pour étudier les performances d’extraction d’une colonne liquide/liquide pour le retraitement du combustible nucléaire. Ces performances étant fortement liées au mélange, il est important de le quantifier. En monophasique, les propriétés de mélange ont été étudiées dans une thèse précédente, à la fois expérimentalement et numériquement, et ont été reliées aux paramètres hydrodynamiques de l’écoulement. L’effet du nombre de Reynolds, du régime d’écoulement et de la taille des rouleaux (longueur d’onde axiale) ont notamment été prouvés. Le but de ce travail est d’étendre les précédentes études aux écoulements de Taylor-Couette diphasiques. Pour des raisons pratiques et afin de s’affranchir des phénomènes de coalescence et de rupture, des billes de PMMA de diamètres 800 µm à 3 mm sont choisies pour simuler la phase dispersée, en suspension dans une solution aqueuse de Dimethylsulfoxyde (DMSO) et de Thiocyanate de Potassium (KSCN). Le montage expérimental couple les méthodes de PIV et de PLIF afin d’obtenir en simultané les informations concernant l’hydrodynamique de l’écoulement et le mélange. Cependant la mise en place du diphasique impose un certain nombre de contraintes qui doivent être prises en compte. Bien que les deux phases soient soigneusement choisies afin d’être adaptées en indice et en densité, le recours à une deuxième chaine d’acquisition PLIF est nécessaire afin d’améliorer la qualité des mesures. Ainsi, une première voie de PLIF classique suit l’évolution au cours du temps de la concentration de Rhodamine WT, injectée au centre de la colonne au début de l’expérience. La voie supplémentaire visualise un autre fluorophore, de la Fluorescéine répartie de manière homogène dans la colonne, permettant ainsi de créer un masque dynamique des billes. Grâce à ce montage expérimental, une étude paramétrique (taille, rétention des billes) a été menée. Un double effet des billes sur le mélange a ainsi été observé. D’une part, la présence d’une phase dispersée modifie les propriétés hydrodynamiques de l’écoulement : les régimes (Couette, Taylor Vortex Flow et Wavy Vortex Flow) sont d’autant plus déstabilisés que la rétention ou la taille des billes augmente. De plus un régime supplémentaire, inhabituel dans le cas du cylindre externe fixe, apparait, forcé par la phase dispersée : le régime Spiral Vortex Flow, dans lequel le mélange est très efficace. D’autre part, une influence propre des billes sur le mélange a été mise en évidence, en fonction de leur taille et de leur concentration. Ces deux effets se combinent pour expliquer une forte augmentation du mélange en présence de la phase dispersée. Les mécanismes physiques liés à ces résultats sont ensuite discutés, et leur influence relative est comparée. Enfin, le rôle du mélange local sur le coefficient de dispersion global, paramètre classiquement utilisé en génie chimique afin de prédire les performances des colonnes d’extraction, est discuté.