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. / In the scope of the nuclear fuel reprocessing, Taylor-Couette flows between two concentric cylinders (the inner one in rotation and the outer one at rest) are used at laboratory scale to study the performances of new liquid/liquid extraction processes. Separation performances are strongly related to the mixing efficiency, the quantification of the latter is therefore of prime importance. A previous Ph.D. work has related the mixing properties to the hydrodynamics parameters in single-phase flow, using both experimental and numerical investigations. The Reynolds number, flow state and vortices height (axial wavelength) impacts were thus highlighted. This Ph.D. work extends the previous study to two-phase configurations. For experimental simplification, and to avoid droplets coalescence or breakage, spherical solid particles of PMMA from 800 µm to 1500 µm diameter are used to model rigid droplets. These beads are suspended in an aqueous solution of dimethyl sulfoxide (DMSO) and potassium Thiocyanate (KSCN). The experimental setup uses coupled Particle Image Velocimetry (PIV) and Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) to access simultaneously the hydrodynamic and the mixing properties. Although the two phases are carefully chosen to match in density and refractive index, these precautions are not sufficient to ensure a good measurement quality, and a second PLIF channel is added to increase the precision of the mixing quantification. The classical PLIF channel monitors the evolution of Rhodamine WT concentration, while the additional PLIF channel is used to map a Fluorescein dye, which is homogeneously concentrated inside the gap. This way, a dynamic mask of the bead positions can be created and used to correct the Rhodamine WT raw images. Thanks to this experimental setup, a parametric study of the particles size and concentration is achieved. A double effect of the dispersed phase is evidenced. On one hand, the particles affect the flow hydrodynamic properties : the more the particles size and concentration grows, the more the studied flow regimes (Couette, Taylor Vortex Flow and Wavy Vortex Flow) are destabilized. In addition, a new flow state appears in presence of a dispersed phase, that is unusual in the configuration we use where the outer cylinder is at rest. This Spiral Vortex Flow is characterized by an enhanced mixing. On the other hand, for given hydrodynamic properties and depending on the particles size and concentration, a specific effect of the particles on mixing is highlighted. Both the “hydrodynamic” and “intrinsic“ effects are responsible for the significant increase of the global mixing observed in two-phase configuration. Possible physical mechanisms are proposed to analyze these results, and their relative influence is compared. At last, an attempt is made to relate the local mixing properties to a global dispersion coefficient of the flow, data commonly used in chemical engineering to predict the performances of extraction columns.

Les contacteurs centrifuges, basés sur les écoulements de Taylor-Couette, sont bien adaptés pour la mise en œuvre de réactions chimiques ou biochimiques, y compris en milieu polyphasique. Ils possèdent particulièrement plusieurs propriétés favorables à la mise en œuvre des opérations d'extraction liquide-liquide. Un dispositif expérimental a été conçu avec cette idée en tête. Il est constitué de deux cylindres concentriques avec le cylindre intérieur entraîné en rotation et l'externe fixe. L’écoulement de Taylor-Couette se produit dans l’espace annulaire entre eux. Il présente la particularité d’évoluer vers la turbulence par apparition successive d’instabilités. La dispersion axiale ainsi que le mélange, sont extrêmement sensibles à ces structures d’écoulement, ce qui rend difficile la modélisation du couplage entre l’hydrodynamique et le transfert de matière. Ce point particulier a été étudié expérimentalement et numériquement. L’écoulement et le mélange ont été caractérisés par des mesures simultanées de PIV (Vélocimétrie par Imagerie de Particules) et PLIF (Fluorescence Induite par Laser). Les champs de concentration PLIF ont permis d’identifier les différents mécanismes de transport intra et inter-vortex. Pour les régimes ondulatoires (WVF et MWVF), le mélange intra-vortex est contrôlé par l’advection chaotique, directement lié aux caractéristiques du champ de vitesse, qui confère aux vortex une capacité plus importante à convecter et à étirer les filets de fluide. En revanche, l’apparition des vagues brisent les frontières qui séparent les vortex ce qui favorise le transport inter-vortex. La combinaison de ces deux mécanismes contrôle principalement la dispersion axiale. Nous avons également mis en évidence le comportement non monotone des propriétés de mélange en fonction de l’histoire de l’écoulement. Notamment l’état d’onde (la longueur d’onde axiale et l’amplitude de la vague). Nous avons calculé le coefficient de dispersion axiale Dx à l’aide des mesures de distribution de temps de séjour (DTS) et de suivi Lagrangien de particules (DNS). Les deux résultats numériques et expérimentaux ont confirmé l’effet significatif des structures de l’écoulement et de l’histoire sur la dispersion axiale. / Taylor-Couette flows between two concentric cylinders have great potential applications in chemical engineering. They are particularly convenient for two-phase small scale devices enabling solvent extraction operations. An experimental device was designed with this idea in mind. It consists of two concentric cylinders with the inner one rotating and the outer one fixed. Taylor-Couette flows take place in the annular gap between them, and are known to evolve towards turbulence through a sequence of successive instabilities. Macroscopic quantities, such as axial dispersion and mixing index, are extremely sensitive to these flow structures, which may lead to flawed modelling of the coupling between hydrodynamics and mass transfer. This particular point has been studied both experimentally and numerically. The flow and mixing have been characterized by means of flow visualization and simultaneous PIV (Particle Imaging Velocimetry) and PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) measurements. PLIF visualizations showed clear evidences of different transport mechanisms including « intravortex mixing » and « inter-vortex mixing ». Under WVF and MWVF regimes, intra-vortex mixing is controlled by chaotic advection, due to the 3D nature of the flow, while inter-vortex transport occurs due to the presence of waves between neighbouring vortices. The combination of these two mechanisms results in enhanced axial dispersion. We showed that hysteresis may occur between consecutive regimes depending on flow history and this may have a significant effect on mixing for a given Reynolds number. The axial dispersion coefficient Dx evolution along the successive flow states was investigated thanks to dye Residence Time Distribution measurements (RTD) and particle tracking (DNS). Both experimental and numerical results have confirmed the significant effect of the flow structure and history on axial dispersion. Our study confirmed that the commonly used 1-parameter chemical engineering models (e.g. the « well-mixed stirred tanks in serie » model) are not valid for Taylor-Couette reactors modelling : two parameters are at least required for an efficient description of mixing in Taylor-Couette flows.

The influence of stratification on the structure of turbulent methane/air combustion is investigated using experimental data from laboratory scale burners: a weakly turbulent slot burner, and a higher turbulence co-annular swirl burner. The degree of stratification can be controlled independently of the overall fuel/air flow rate. The resulting measurements of scalar and velocity fields provide detailed test cases for existing and emerging turbulent flame models, covering a range of u'/sL from 1 to 10, turbulence intensities from 5% to 60%, and stratification ratios from 1 to 3. Simultaneous Rayleigh/Raman/CO-LIF measurements of temperature and major species concentrations - CH4, CO2, CO, H2, H2O and O2 - along a line are used to investigate the structure of a series of flames in both the slot and swirl burners. Concurrent cross-planar OH-PLIF allows thermal gradients to be angle corrected to their three-dimensional values. Finally, non-reacting and reacting velocity fields complete the flame database. The behavior of major species concentrations in the slot and swirl burner with respect to temperature is found to agree well on the mean with unstrained premixed laminar flame calculations. Scalar means conditioned on stoichiometry also show good agreement, aside from hydrogen which is enhanced under stratified conditions. Surface density function and scalar dissipation are lower than calculated values in all cases, suggesting that turbulence-induced thickening dominates the effect of increased strain. Metrics commonly used to derive flame surface density (FSD) were investigated. FSD may be determined using a statistical method based on measurements of temperature and its gradient, or a geometric method based on 2D temperature or LIF imaging. A third metric, an extension of the geometric method, is proposed. Good agreement is observed between the three metrics. The current database provides the first detailed high resolution scalar measurements for premixed and stratified flames. The data analysis provides insight into the physics of stratification: for the flames considered, the effects of stratification appear to be surprisingly small compared to those of turbulence, even at significant stratification ratios. The datasets provide a means of validating current and future computational turbulent combustion models.

Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader. Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted. 3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system. Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.