Dynamique et Thermique des Fluides Hypercompressibles

(proches du point critique)
 

                S = Phase Solide    G = Phase Gazeuse    L = Phase Liquide
                                        FSC = Fluide Supercritique

                   Surface d'état d'un corps pur

Contexte Scientifique

    Les fluides proches de leur point critique liquide-vapeur ont des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport très particuliers. Par exemple, leur compressibilité est très grande bien que leur masse volumique soit en même temps très élevée. Ces fluides, largement utilisés dans des secteurs industriels très divers (industries spatiale, pétrolière, agro-alimentaire, chimique ...), sont donc des systèmes aux propriétés très spécifiques et souvent surprenantes. En particulier, ils sont le siège d’un quatrième mode de transport de la chaleur, l’Effet Piston, couplage thermo-acoustique découvert en 1990 et qui gouverne entièrement la relaxation de la température sur des échelles de temps bien plus courtes que la diffusion ou la convection naturelle. L’existence de ce mécanisme de relaxation spécifique bouleverse totalement la dynamique des fluides supercritiques, même dans des situations considérées comme classiques dans des fluides usuels.

Recherche à l'Institut Jean le Rond d'Alembert (équipe FCIH)

    Dans ce contexte, je conduis au sein de l'équipe FCIH de l'Institut Jean le Rond d'Alembert une opération de recherche intitulée Hydrodynamique et Thermique des Fluides Hypercompressibles. L’objet de cette opération est double : (i) re-examiner les problèmes « classiques » de la mécanique des fluides dans le contexte particulier des fluides hypercompressibles (supercritiques) pour découvrir quels sont les nouveaux phénomènes que leur dynamique particulière entraîne ; (ii) appliquer les modèles ainsi construits à des situations à caractère opérationnel (dimensionnement d’expériences, études de problèmes couplés intéressant l’industrie, …). Ce travail se développe simultanément selon des approches théoriques, numériques et expérimentales. Le volet théorique est réalisé en interne à l'Institut, les outils les plus fréquemment employés étant l’analyse asymptotique de perturbations singulières, l’analyse de stabilité linéaire ou faiblement non linéaire et plus généralement les méthodes classiques de résolution d’équations aux dérivées partielles. Les volets numériques et expérimentaux sont réalisés dans le cadre de coopérations nationales et internationales avec différents organismes et équipes qui seront décrits ci-dessous.
On peut schématiquement classer les différents éléments de ce travail selon trois axes principaux:


Caractérisation théorique des mécanismes de relaxation dans les fluides supercritiques
P. Carlès, R. Bonnefoi, en collaboration avec l’équipe de M. Barmatz au JPL (NASA/Caltech, Etats-Unis) et  l’équipe de A. Onuki à l'Université de Kyoto (Japon)

    Dans cette catégorie de travaux, l’utilisation de méthodes asymptotiques, numériques et expérimentales vise à caractériser les particularités du transport de masse et de chaleur près du point critique, et plus généralement l’interaction des différents mécanismes de relaxation thermoacoustiques dans les fluides supercritiques. En particulier, on recherche les différents régimes de comportement de l’Effet Piston, au travers de modèles asymptotiques qui permettent d'analyser le comportement du fluide dans des gammes de paramètres où la simulation numérique est encore impossible (et l’expérimentation tout juste émergeante). De tels modèles ont déjà été appliqués avec succès, en particulier, au dimensionnement d'une expérience spatiale du département de cryogénie du Jet Propulsion Laboratory (NASA/Caltech, Etats-Unis) dans le cadre d'une prestation contractuelle (expérience MISTE). Depuis quelques années, ils permettent d’utiliser l'Effet Piston comme un outil pour « sonder » les propriétés des fluides supercritiques très près du point critique, dans une logique de problème inverse. Dans ce cadre-là, nous conduisons avec le JPL une expérience sur le point critique de l'Hélium 3 dont je suis co-investigateur, expérience dans laquelle une connaissance précise de la dynamique proche-critique est utilisée à la fois pour compenser les effets de stratifications communs à ce genre de systèmes et pour effectuer des mesures de thermométrie instationnaire. Les résultats finaux sont attendus d'ici la fin de l'année 2007. Enfin, une collaboration avec l'équipe du Pr. Onuki de l'Université de Kyoto et un laboratoire de l'Agence Spatiale Japonaise à Tokyo (JAEA/JAXA) vient de débuter. Pour la première fois, cette équipe a pu mesurer directement par interférométrie les ondes thermoacoustiques responsables de l'Effet Piston. J'assure la modélisation théorique de l'expérience, et j'apporte un soutien à sa direction scientifique.


Fluides supercritiques sous gravité
P. Carlès, L. El Khouri, R. Bonnefoi, en collaboration avec l’équipe de Horst Meyer (Duke University, Etats-Unis) et l’équipe de M. Barmatz au JPL (NASA/Caltech, Etats-Unis)

     A l’aide de méthodes mixtes faisant intervenir les outils classiques de l’analyse de stabilité couplés avec les méthodes asymptotiques multi-échelles, on étudie dans cette action l’hydrodynamique des fluides supercritiques en présence d’un champ de gravité (en particulier l’apparition d’ondes internes de gravité et l’instabilité convective de Rayleigh-Bénard). Ces travaux ont montré que ces fluides reproduisaient à petite échelle des mécanismes observés jusque-là seulement dans les écoulements géophysiques, ce qui suggère de les utiliser comme des modèles de laboratoire pour reproduire à petite échelle certains écoulements atmosphériques ou océanographique. Un examen plus approfondi de ces analogies est en train d’être conduit, au travers d’un rapprochement avec la communauté des géophysiciens (Anne Davaille au FAST). Ce type d'étude a un impact indirect sur notre expérience en coopération avec le JPL, dans la mesure où les modèles que nous développons sont un élément capital du dimensionnement de l'instrument et de son exploitation dans le cadre d'une exploration paramétrique systématique.


Dynamique de corrosion en fond de fissure en eau supercritique
P. Carlès, en collaboration avec l’équipe de Jean-Pierre Petitet (LIMHP, Paris 13) et l’équipe de François Cansell (ICMCB, Bordeaux 1)

     Cette action s’est développée de 2000 à 2004 dans le cadre d’un consortium industrie/CNRS impliquant des laboratoires du CNRS et des industriels de l’acier et du génie des procédés (Consortium Matériaux pour les Procédés mettant en œuvre un Fluide Supercritique). L’objectif de ce consortium était d’identifier les causes de la très forte corrosion subie par les aciers en milieux oxydants supercritiques (en particulier aqueux), et de proposer des stratégies pour remédier à cette corrosion. Dans le cadre de ce consortium, notre participation a visé à analyser l’influence de l’hydrodynamique particulière des ma supercritiques sur les mécanismes de corrosion et son rôle éventuel dans les anomalies constatées. Un modèle théorique de comportement du fluide supercritique en fond de fissure a été développé, modèle qui prédit l'existence d'un couplage thermo-chimique entre le fluide supercritique et la paroi d'acier (phénomène de micro-jets par dilatation thermique). Ce mécanisme pourrait expliquer en partie la corrosion anormale observée. Des confrontations expérimentales avec les mesures du LIMHP ont été réalisées. En parallèle, je travaille sur l’extension du modèle à d’autres situations présentant des similarités paramétriques, comme le cas des réacteurs tubulaires en eau supercritique par exemple.


Simulation numérique d'écoulements de fluides supercritiques
P. Carlès, L. El Khouri, R. Bonnefoi, en collaboration avec l’équipe d'Olivier Daube à l'IUP d'Evry

     Les couplages thermoacoustiques complexes survenant au voisinage du point critique rendent la simulation numérique directe des écoulements de fluides supercritiques très difficiles. Une des techniques ayant fait ses preuves pour cela est l'utilisation de codes dits "faibles-Machs", qui reposent sur le développement asymptotique des équations de la mécanique des fluides en puissances du nombre de Mach au carré (méthode de filtrage acoustique de Paolucci). Dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe d'Olivier Daube de l'IUP d'Evry et du LIMSI, nous examinons comment adapter ces schémas à des équations d'état réelles, afin de développer des codes permettant des simulations quantitatives des écoulements de fluides au voisinage du point critique.

Collaborateurs à l'Institut Jean le Rond d'Alembert

Coopérations Nationales

Coopérations Internationales