Contrôle des structures tourbillonnaires au sein de fluides immiscibles soumis à des rotations différentielles

Abstract

L'écoulement hélicoïdal de deux couches superposées de fluides Newtoniens immiscibles, engendré par la rotation individuellement indépendante des parois d'une cavité cylindrique verticale avec/sans moyeu central, est étudié numériquement au moyen d'une approche hybride combinant les méthodes VOF et LS du code ANSYS-FLUENT. L'étude explore d'abord un modèle d'interface gaz-liquide considérée plane dans un bioréacteur soumis à la rotation du disque inférieur. La simulation indique qu'à des taux de rotation modérés, le noyau hélicoïdal éclate sur l'axe et donne naissance à un vortex de type bulle qui évolue et migre vers la surface sous forme de vortex toroïdal en augmentant la vitesse de rotation. Les résultats montrent que la rotation ou chauffage différentiels des parois constituent des moyens non intrusifs efficaces de control de l'évolution des structures tourbillonnaires. En outre, l'utilisation de nano-fluides, même à faible concentration de nano-particules, s'avère aussi une approche pour la suppression des vortex et la prévention de la stagnation. L'investigation est étendue au cas du modèle liquide-liquide immiscibles, en considérant l'écoulement d'une configuration huile-glycérine sous effet de la rotation du disque supérieur en contact de la phase la plus visqueuse (l'huile). La simulation révèle, à partir d'un seuil critique du taux de rotation, l'apparition d'un vortex axial proche du disque tournant distinct et associé à une élévation significative de l'interface ; laquelle est constituée de recirculations fines et intenses. L'étude montre que ces structures et cette topologie sont très sensibles aux effets combinés du taux de rotation et de la fraction volumique des fluides. En particulier, il ressort qu'une diminution du volume de la phase huileuse favorise et accentue l'élévation de l'interface et provoque l'expansion de la bulle jusqu'à son détachement de l'axe pour former un vortex toroïdal. Ce dernier éventuellement impacte et coalesce avec l'interface fortement concave avant de disparaitre. Par ailleurs, l'étude révèle que la co-rotation (contre-rotation) différentielle de la paroi latérale favorise (élimine) efficacement les structures secondaires-En outre, la simulation montre qu'un swirl additionnel induit par la rotation d'un moyeu central engendre l'apparition de vortex de Taylor dans la phase la moins visqueuse (glycérine) attribués à une instabilité centrifuge en accord qualitatif avec les observations expérimentales