Écoulement de Taylor-Couette en géométrie finie et à surface libre

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Abstract

Les réacteurs de type de Taylor-Couette sont une application relativement récente dans le domaine du génie des procédés. La stabilité et la structure de l'écoulement dans ce dispositif sont examinées sous les effets combinés de la surface libre et de la hauteur de fluide dans l'espace annulaire. L'exploration des régimes d'écoulement est réalisée en fonction du nombre de Taylor Ta pour différentes valeurs du rapport d'aspect Γ. Au moyen de la vélocimétrie ultrasonore (UVP) on détermine le profil moyen de vitesse axiale et la longueur d'onde axiale. On procède également à l'analyse spectrale par transformée rapide de Fourier des fluctuations associées aux valeurs moyennes de la vitesse en vue d'analyser la structure de l'écoulement. On vise particulièrement à vérifier, selon la hauteur de remplissage et la vitesse de rotation imposée, la présence ou l'absence de l'onde azimutale. On met en évidence les effets de la surface libre et du rapport d'aspect sur les conditions d'apparition de la deuxième instabilité. L'analyse des fluctuations montre que l'apparition du régime d'ondes azimutales (wavy mode) est retardé quand le rapport d'aspect diminue. En dessous d'une valeur critique notée Γc = 10, le régime d'ondes azimutales n'est plus observé.

Abstract

The reactors of Taylor-Couette type are relatively recent application in the engineering processes field. The stability and the flow structure in this device are examined under the effect combined of the free surface and the fluid's height in annular space. The exploitation of the flow regimes is carried out according to the number of Taylor for various values of aspect ration Γ. By means of ultrasonic velocimetry (UPV) we determine axial average velocity profile and the axial wavelength. We also carry out the spectral analysis by Fourier's fast transform of the fluctuations associated with the average velocity values in order to analyze the flow structure. We particularly aim for checking the presence or the absence of the azimuth wave according to the filling height and the rotational velocity imposed. We highlight the effects of free surface and aspect ratio on the conditions of appearance of the second instability ( wavy mode). The analysis of the fluctuation shows that the appearance of the azimuth wave regime (Wavy mode) is delayed when the aspect ration decreases. Below a critical value noted Γc = 10, the azimuth wave regime is not observed any more.

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