Méthodes de mesure de DTS
Pour caractériser l'hydrodynamique d'un système on peut imaginer de suivre l'histoire d'un traceur introduit dans l'écoulement.
Méthode : Méthode des traceurs
La méthode des traceurs consiste à "marquer" des molécules entrant dans le système et à les dénombrer dans le courant de sortie en fonction du temps. Ainsi on applique, à l'aide d'un traceur, un certain signal à l'entrée du système et on examine sa réponse en sortie, pour en déduire des renseignements sur le comportement interne du fluide sous la forme d'une fonction de transfert : c'est donc une méthode systémique.
L'introduction du traceur, qui ne doit pas perturber l'écoulement dans le milieu étudié, se fait généralement suivant une injection de type impulsion (figure de gauche, a, ci-dessous) ou échelon (figure de droite, b, ci-dessous).
L'injection impulsion consiste à introduire \(N\) moles de traceur pendant un temps très court (au moins 100 fois inférieur au temps de passage[2] \(\tau\)). Le volume de traceur introduit doit être très faible par rapport au volume \(V\) du système afin de ne pas perturber son écoulement. On note \(C_0 = \frac{N}{V}\), la concentration qu'aurait le traceur uniformément réparti dans tout le volume. La réponse C(ts) en sortie du système, une fois normalisée par son intégrale, est la fonction de distribution[3] \(E\) :
\(E\ (t_s) = \frac{C\ (t_s)}{\int\limits_0^{\infty}{C\ (t) \cdot \mathrm{d}t}}\)
L'injection échelon consiste à faire passer brusquement la concentration en traceur dans le flux d'alimentation du système d'une concentration nulle à une concentration \(C_0\), sans perturber l'écoulement dans le système. La réponse normalisée est appelée "fonction F".
Attention : Conditions d'application de la méthode
L'application de cette méthode est soumise à 3 hypothèses principales : l'écoulement doit être en régime permanent, le fluide doit être incompressible et l'écoulement doit être déterministe, c'est-à-dire qu'il ne fait pas intervenir de processus aléatoires macroscopiques, du moins à grande échelle de temps et d'espace (un processus aléatoire stationnaire tel que la turbulence est quasi-déterministe à l'échelle de l'expérimentateur).
Toutefois, les résultats présentés ici peuvent être généralisés aux cas d'écoulements en régime transitoire, aux fluides compressibles ou dilatables, ou encore au cas d'alimentations multiples, mais ces aspects ne seront pas détaillés ici.
Des conditions supplémentaires sont imposées en entrée et en sortie du système : l'écoulement dans les conduites d'entrée et de sortie doit être SANS diffusion (type piston) et le fluide doit être homogène dans la zone de mesure.
Conseil : Choix du traceur
Le traceur choisi doit respecter certaines caractéristiques : avoir les mêmes propriétés hydrodynamiques que le fluide, être décelable par une propriété physique, être stable et parfaitement neutre pour le système (mesures dans les milieux naturels, ou dans les installations de production alimentaire...). Il faut enfin être sûr de pouvoir se débarrasser de tout le traceur.
Plusieurs types de traceurs et de méthodes de détection peuvent être envisagés : les plus courantes sont listées dans le tableau suivant.
fluide principal | traceur | détection |
|---|---|---|
gaz inerte, air | hydrocarbure gazeux | ionisation de flamme, catharométrie ou spectrométrie de masse |
hydrocarbure gazeux | gaz inerte | catharométrie ou spectrométrie de masse |
phase aqueuse | électrolyte (sel par exemple) ou colorant | conductimétrie colorimétrie ou spectrométrie |
hydrocarbure liquide non aromatique | hydrocarbure aromatique | spectrométrie UV |
solide divisté | particules similaires en forme et en masse volumique, mais ayant une propriété détectable sans incidence sur l'écoulement par exemple : particules magnétiques | détecteur approprié détecteur magnétique |
tout système | isotope radioactif | gammamétrie |
Exemple : Écoulement d'une charge granulaire dans un four tournant
Voici un exemple d'étude de distribution des temps de séjour dans un four tournant (contacteur gaz/solide). La photographie précédente montre une vue transversale d'un four tournant pilote.
Les distributions des temps de séjour précédentes ont été obtenues dans un four tournant pilote équipé de releveurs plats (SL) pour un écoulement de sable (granulométrie d'environ 0,5 mm). Les paramètres étudiés sont, de haut en bas : la vitesse de rotation du tube tournant ; son inclinaison ; le débit de solide circulant à l'intérieur ; la hauteur du diaphragme en sortie de four.
Les résultats de ces travaux sont détaillés dans la publication "Effect of lifter shape and operating parameters on the flow of materials in a pilot rotary kiln: Part I" et suivantes[6].
