Soutenance mémoire
Les installations industrielles (extraction, production, stockage, distribution) mettent en œuvre de nombreuses substances pouvant être inflammables et/ou toxiques. Leur libération accidentelle peut donc entraîner de sérieuses conséquences telles qu’un incendie ou une pollution. Le BARPI, organisme recensant les accidents industriels en France, indique que plus de 40% des accidents ayant eu lieu entre 1992 et 2010 ont impliqué un rejet de matières dangereuses.
Certains liquides sont stockés à grande ou très grande échelle (parcs de stockages pétroliers par exemple) et impliquent donc des quantités très importantes de liquide ne devant pas être répandues dans la nature en cas de brèche ou rupture totale de confinement.
BIBLIOGRAPHIE
La problématique du sujet proposé invite à étudier l’influence de différents paramètres géométriques d’une nappe de liquide s’évaporant et de son environnement sur le phénomène d’évaporation. Pour cela, cette partie bibliographique décrit l’état des travaux relatifs à l’évaporation d’une nappe de liquide en atmosphère renouvelée (milieu ouvert) selon les points suivants :
♦ les mécanismes physiques impliqués par le phénomène d’évaporation,
♦ les corrélations semi-empiriques visant à prédire le transfert de masse selon les paramètres physico-chimiques de la nappe et de son environnement.
Par définition, l’évaporation correspond au phénomène de changement de phase lent de l’état liquide vers l’état gazeux d’un liquide à une température inférieure à la température d’ébullition à la pression ambiante.
Lorsqu’un liquide est répandu au sol sous forme d’une nappe plus ou moins épaisse, la pression partielle des vapeurs du liquide dans l’air est généralement inférieure à la pression de vapeur saturante à la température d’étude. De ce fait, un déséquilibre thermodynamique apparait au-dessus de l’interface liquide-gaz. Le transfert des molécules composant le liquide vers un état gazeux correspond alors à un retour vers l’équilibre de concentration au-dessus de la nappe. Ce transfert de masse est influencé par deux paramètres :
♦ L’hydrodynamique à la surface de la nappe.
♦ L’équilibre liquide – vapeur à l’interface. Celui-ci dépend de la température de la surface qui est une fonction de la température du liquide et des flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement.
Ces trois domaines, le transfert de matière, l’hydrodynamique locale et les transferts thermiques, sont décrits dans chacune des sections de ce chapitre bibliographique. Ils interagissent et aucun d’entre eux ne peut être traité indépendamment des autres.
Thermodynamique du phénomène
Le phénomène d’évaporation est, par définition, le processus lent de changement de phase entre la phase liquide et la phase gazeuse d’un liquide à une température inférieure à la température d’ébullition à la pression à laquelle est soumis le fluide. Le processus d’évaporation prend toujours place à une température inférieure à la température d’ébullition du liquide .
L’évaporation d’un liquide survient lorsque l’équilibre liquide – vapeur à l’interface n’est pas réalisé.
Hydrodynamique au-dessus de la nappe
L’hydrodynamique au-dessus de la nappe est primordiale car elle détermine la dynamique de renouvellement d’air au-dessus de l’interface et par conséquent la dynamique d’évaporation. Cette section de la bibliographie ne prétend pas présenter exhaustivement tous les travaux liés aux écoulements au-dessus de plaques planes ou de cavités mais de présenter leurs caractéristiques générales. Par convention, les vecteurs sont notés en gras.
Ecoulement de couches limite
Prandtl introduit en 1904 le concept de couche limite. Ce concept propose qu’au voisinage d’une surface, une fine zone, dénommée couche limite, serve de zone de transition entre les valeurs prises par une quantité (vitesse d’écoulement, température ou concentration) au voisinage immédiat de cette surface et celles prises dans les zones de l’écoulement non influencées par la présence de cette surface.
Dans cette couche, d’épaisseur δ, les forces de viscosité et d’inertie sont du même ordre de grandeur. Il n’est pas possible de négliger l’une par rapport à l’autre.
Pour un même système, il existe trois couches limites différentes:
♦ Cinématique : Gradient de la quantité de mouvement de la surface vers le milieu libre. Cette couche limite apparait dès qu’un fluide est mis en mouvement près d’une surface.
♦ Thermique : Gradient de la température de la surface vers le milieu libre. Cette couche limite n’intervient que dans le cas où il existe une différence de températures entre une paroi et un fluide entre la surface et l’atmosphère.
♦ Massique : Gradient de concentration de la surface vers le milieu libre. Cette couche limite n’existe que dans le cas de mélanges d’espèces et de déséquilibres de concentration entre l’écoulement et la surface de la nappe (évaporation, …).
Aucune des couches n’est indépendante, les couches limites thermique et massique sont fonction des vitesses calculées à l’intérieur de la couche limite cinématique et les effets de la température et des concentrations sont à prendre en compte dans l’établissement du profil de vitesse.
Le concept de couche limite se base sur deux hypothèses :
♦ L’épaisseur de la couche limite est largement inférieure à la longueur de la nappe de liquide.
♦ Les gradients verticaux sont largement supérieurs aux gradients horizontaux.
La connaissance de la couche limite est donc primordiale dans l’étude du transfert de matière. Nous allons donc détailler leur physique dans les cas laminaire, turbulents et en cavité .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. BIBLIOGRAPHIE
INTRODUCTION
TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE I
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE I
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE I
1. THERMODYNAMIQUE DU PHENOMENE
2. HYDRODYNAMIQUE AU-DESSUS DE LA NAPPE.
2.1. ECOULEMENT DE COUCHES LIMITE
2.2. ECOULEMENT AU-DESSUS DE CAVITES
3. TEMPERATURE DE LIQUIDE
3.1. DETERMINATION DE L’EQUATION BILAN THERMIQUE
3.2. DETERMINATION DES FLUX THERMIQUES RAYONNES
3.3. DETERMINATION DU FLUX DE CHALEUR CONVECTIF AIR – LIQUIDE
3.4. DETERMINATION DU FLUX DE CHALEUR ISSU DU SOL
4. TRANSFERT DE MATIERE
4.1. MODELES DE DIFFUSIVITE
4.2. APPORT DE MATIERE DANS L’ECOULEMENT
4.3. SYNTHESE
5. CONCLUSIONS DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
II. MATERIELS ET METHODES
INTRODUCTION
TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE II
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE II
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE II
1. DEMARCHE EXPERIMENTALE ETABLIE
1.1. PRESENTATION DES PILOTES
1.2. CHOIX DU LIQUIDE VOLATIL MODELE
2. PLAN D’EXPERIENCES
2.1. CONSTRUCTION DU PLAN D’EXPERIENCES DE L’ETUDE
3. METROLOGIE MISE EN PLACE
3.1 TRANSFERT THERMIQUE AUTOUR DU LIQUIDE.
3.2. METROLOGIE DU TRANSFERT DE MATIERE
3.3. PROFILS DE VENT
Introduction Générale
4. METHODES DE TRAITEMENT DES DONNEES
4.1. DEBRUITAGE DES SIGNAUX 1D
4.2. TRAITEMENT DES IMAGES
5. PROTOCOLES EXPERIMENTAUX DES ESSAIS EN INTERIEUR
5.1. ESSAIS REALISES AVEC LES PILOTES DE FAIBLE VOLUME
5.2. ESSAIS REALISES AVEC LE PILOTER DE FORTE CAPACITE
6. CONCLUSIONS DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
III. ANALYSE DU PHENOMENE
INTRODUCTION
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE III
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE III
1. PRESENTATION DU PHENOMENE
1.1. EVOLUTION DU SYSTEME AU COURT DU TEMPS
1.2. REPRODUCTIBILITE DES ESSAIS
1.3. CONCLUSION DE LA SECTION
2. ANALYSE PARAMETRIQUE DU PHENOMENE D’EVAPORATION
2.1. HYPOTHESE DE LINEARITE
2.2. VALIDATION DU PLAN D’EXPERIENCE
2.3. DETERMINATION DU DEBIT INITIAL.
2.4. DETERMINATION DU DEBIT EN REGIME PERMANENT.
2.5. DETERMINATION DE LA DUREE DU REGIME TRANSITOIRE.
2.6. CONCLUSION DE LA SECTION
3. CONCLUSION DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
IV. EVALUATION DE LA MODELISATION
TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE IV
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE IV
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE IV
1. ETUDE DES FLUX THERMIQUES ET DU DEBIT
1.1. EVALUATION DES FLUX DE CHALEUR
1.2. EXPRESSION DU DEBIT D’EVAPORATION EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DU LIQUIDE
1.3. CONCLUSION DE LA SECTION
2. ETUDE DES CORRELATIONS DE PREDICTION DU DEBIT D’EVAPORATION
2.1. COMPARAISON ENTRE CORRELATIONS ET DEBITS ENREGISTRES
2.2. ANALYSE DE SENSIBILITE
2.3. CONCLUSION DE LA SECTION
3. CONCLUSION DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
Introduction Générale
V. ETUDE DE LA STRATIFICATION DE LA TEMPERATURE DU LIQUIDE
INTRODUCTION
TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE V
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE V
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE V
1. TRANSFERTS DE CHALEURS DE PART ET D’AUTRE DE L’INTERFACE
1.1. FLUX DE CHALEUR DUS A LA CONVECTION THERMIQUE AUTOUR DE L’INTERFACE
1.2. CORRELATIONS SEMI EMPIRIQUES DES FLUX ECHANGES AVEC L’INTERFACE.
1.3. DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DE SURFACE
1.4. CONCLUSION
2. DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DE SURFACE
2.1. SOUS-SYSTEME « CŒUR DE LIQUIDE »
2.2. SOUS-SYSTEME « INTERFACE »
2.3. CONCLUSION DE LA SECTION
3. RESULTATS LIES A LA DETERMINATION DE LA TEMPERATURE DE SURFACE
3.1. VALIDITE DU RESULTAT DU CALCUL DE LA TEMPERATURE DE SURFACE
3.2. COMPARAISON ENTRE TEMPERATURE DE LIQUIDE MESUREE ET TEMPERATURE DE SURFACE CALCULEE
3.3. EQUATION BILAN ENERGETIQUE
3.4. EQUATION-BILAN DE MASSE
3.5. NOMBRES DE RAYLEIGH
3.6. FLUX ECHANGE ENTRE LES DEUX SOUS SYSTEMES
3.7. CONCLUSION DE LA SECTION
4. CONCLUSION DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
VI. EFFET D’UN ECOULEMENT DE CAVITE SUR L’EVAPORATION
INTRODUCTION
TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE VI
TABLE DES ILLUSTRATIONS DU CHAPITRE VI
TABLE DES EQUATIONS DU CHAPITRE VI
1. MESURE DE LA TEMPERATURE DE LA SURFACE A L’AIDE D’UNE CAMERA THERMIQUE
1.1. ESSAIS SELECTIONNES ET DONNEES RELATIVES A LA TEMPERATURE DE SURFACE
1.2. PRESENTATIONS DES RESULTATS DE L’ETUDE DE LA TEMPERATURE DE LA SURFACE
1.3. CONCLUSION DE LA SECTION
2 TRANSFERT DE MASSE DANS UNE CAVITE
2.1. EVOLUTION DU COEFFICIENT DE TRANSFERT DE MASSE EN FONCTION DE LA HAUTEUR DE MARCHE
2.2. CONFIGURATION DE LA PIV
2.3. PROFILS DE VITESSE D’ECOULEMENT AU-DESSUS DE L’ECOULEMENT
3. CONCLUSION DU CHAPITRE
BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION
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