d'ordre ANNÉE

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Energétique et transferts


Présentée et soutenue par Fabien CHAUVET
Le 26/11/2009

Titre : Effet des films liquides en évaporation

JURY
J. BONJOUR Professeur Rapporteur
P. COLINET Professeur
P. DURU Maître de Conférences Co-directeur
S. GEOFFROY Maître de Conférences Examinateur
P. LAVIEILLE Maître Exam
M. PRAT Directeur de Recherche Directeur
L. TADRIST Professeur Président


Ecole doctorale : MEGeP
Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Directeur de Thèse : Marc PRAT
Co-directeur de Thèse : Paul DURU

iiiii
Remerciements
Mes remerciements les plus sincères vont à mes deux “chefs”, Marc Prat et
Paul Duru, qui ont constitué un duo d’encadrants de thèse qui ne m’a jamais
déçu. Ils ont parfaitement rempli leur rôle d’initiateurs à la recherche scientifique
en étant toujours très disponibles.
Je remercie également les membres du jury pour avoir accepté de juger mon
travail de thèse et pour m’avoir donné le diplôme du Doctorat.
Durant ces trois années, mes travaux de recherches m’ont amené à travailler
avec plusieurs chercheurs, ingénieurs, et techniciens. J’aimerais les remercier
comme il se doit.
Comment ne pas remercier Sébastien Cazin qui m’a toujours dégoté toute les
caméras, les objectifs (notamment le très demandé 200 mm), les panneaux de leds
(un tout petit peu rayés après le passage chez GEMP!), les bagues allonges (...)
que je voulais pour faire mes manips. Sébastien m’a également appris beaucoup
de choses sur la mesure de température par thermographie IR, pour tout je le
remercie.
Je voudrais remercier aussi Sandrine Geoffroy pour ses calculs sur la diffusion
de la vapeur, Pascal Lavieille pour son code de Ray tracing et Richard Clergereaux
pour les tentatives audacieuses de traitement de surface des capillaires.
A Vincent Laval et Julien Cividini, vont mes remerciements. Pendant leurs
stages respectifs, ils ont fait preuve d’esprit critique et ont proposé des idées in-
téressantes, ce qui m’a permis de prendre du recul.
Mes remerciements vont aussi au projet ANR Intensifilm pour son finance-
ment ainsi qu’à ses membres qui ont suivi périodiquement l’avancée de mes tra-
vaux.
J’en oubli certainement, je transmet donc mes remerciements à toute les per-
sonnes qui m’ont aidé de près ou de loin dans mes travaux.
Passons maintenant à mon activité de monitorat. Moïse Marchal, Patrick
Chassaing et Gerald Debenest ont généreusement accepté de me prendre comme
encadrant sur leur TP et TD respectifs, je les en remercie. Je remercie tout les
autres encadrants avec qui j’ai échangé : Stéphanie Véran, Romain Gers, Magalie
Cochet, Marie Duval, Paul, Olivier Praud, Mathieu Roudet, et bien d’autres...
Sur un plan moins professionnel, je voudrais remercier chaleureusement mes
“colocs” de bureau, à savoir : Mehdi Rebaï (Caribou!), Ian Billanou (qui n’arrive
toujours pas à passer le rond point à plus de 80!) et Vincent Sarrot. L’ambiance
dans le bureau m’a toujours convenu, quoique depuis le départ de Mehdi mon
oreille virevolte un petit peu, mais rien de méchant... Je remercie aussi Typhaine
pour m’avoir soutenu et encouragé pendant la dernière année. Je remercie na-
turellement tout les thésards du groupe GEMP avec lesquels j’ai passé de bons
moments, lazergames, sorties VTT (dédicasse à Dom!), bowling, soirées, repas
du midi, pauses ... Je salue également les filles du groupe OTE avec lesquelles il
est toujours très agréables de se quereller un petit peu.ivv
Résumé
Ce travail est axé sur l’étude de l’évaporation lente d’un liquide confiné dans
untubecapillairedesectioncarrée,enlienavecl’étudeduphénomènedeséchage.
Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides
se forment par capillarité le long des coins internes. L’évaporation du liquide
en sommet de film engendre un pompage capillaire et l’espèce volatile est alors
transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode
de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets
visqueux et de gravité qui s’opposent tous deux au mouvement du liquide vers le
sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche
expérimentale.
Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s’évaporer dans un
tube capillaire carré. Plusieurs expériences d’évaporation sont réalisées en faisant
varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et
verticale).Uneméthodedethermographieinfra-rougepermetdemesurerleprofil
de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement
dephaseliquide-vapeurainsiquesapositionsontalorsmesurables.Apartird’une
méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées :
positionduménisqueprincipal,tauxd’évaporationetépaisseurrelativedesfilms.
En s’appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors
que les cinétiques d’évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois
principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de
la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L’analyse de l’hy-
drodynamique des films montre qu’il est indispensable de prendre en compte
l’arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l’écoulement au
sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible
à ce paramètre, qui limite l’extension des films.
Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert
de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l’écoule-
ment des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d’un capillaire
carré quantitativement satisfaisant.
Mots clés : capillarité, mouillabilité, tube capillaire, films liquides, séchage,
évaporation, changement de phase liquide-vapeur, transfert de masse, micro-
fluidique, thermographie infra-rouge, ombroscopie.vi
Abstract
In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses
on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross
section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough,
liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners.
Evaporationoftheliquidatthefilmtopcreatesacapillarypumping.Thevolatile
speciesisthentransportedinliquidphasetothetopofthecapillary.Thisefficient
mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity
and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards
the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.
The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a
square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying
the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical).
An infrared thermography method allows to measure the temperature profile
along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and
its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the
location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of
the films can be measured.
The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the
dryingkineticsofcapillaryporousmedia.Thisfindingallowstostudyevaporation
in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous
media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then
shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into
three main characteristic phases.
Theanalysisofthehydrodynamicofthefilmsshowsthatitisessentialtotake
into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling
oftheflowinthefilms.Weshowthatthephenomenonstudiedisverysensitiveto
the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension
of the films.
Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a
quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.
Keywords:capillarity,wetting,capillarytube,liquidfilms,drying,evaporation,
liquid-vapor phase change, mass transfer, micro-fluidic, infra