Instabilités thermiques et massiques en milieux poreux et fluide : Application à la séparation des espèces

C’est une des premières thématiques étudiées au sein du groupe Milieux poreux.

Les travaux développés dans le cadre de ce thème concernent la modélisation théorique, numérique et expérimentale des instabilités thermique et massique observées lors des transferts de chaleur et/ou de masse en milieux fluides et poreux.

La présence simultanée de gradients thermiques, de concentration ou de tension de surface, couplés le plus souvent à des conditions aux limites instationnaires et en présence de champs de forces extérieures également instationnaires, génère des structures d’écoulements complexes. La structure de ces écoulements est fonction des nombreux mécanismes physiques (thermique, massique, thermodiffusion, convection de Marangoni, convection thermo-vibrationnelle et convection mixte). Ces processus fondamentaux étudiés interviennent dans de nombreuses applications à forts enjeux économiques.

Nos travaux récents ont concerné les écoulements de convection thermosolutale et de thermodiffusion gravitationnelle en milieu fluide et poreux, avec prise en compte de l’effet SORET. Dans le cas de fluides binaires, on cherche la meilleure configuration de la cellule et les meilleures conditions aux limites, permettant d’assurer, en un temps raisonnable la séparation des constituants du mélange.

Des travaux portant sur la convection thermovibrationnelle ont également été développés ensuite, en vue de contrôler ces écoulements convectifs. Le recours à des vibrations de faibles amplitudes et grandes fréquences permet de retarder ou d’avancer la naissance de la convection dans le cas du problème de Rayleigh-Benard (milieu fluide) ou Horton Rogers-Lapwood (milieu poreux). Ces travaux utilisant la méthode de moyennisation ont été développés dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de Perm en Russie (Prs. G.Z. Guershuni, D. Lyubimov et T. Lyubimova). Pour le problème de convection thermo-solutale vibrationnelle avec prise en compte de l’effet Soret, il y a trois sources d’instabilité : les forces de volume d’origine thermique et solutale, les forces dues aux vibrations et trois sources de dissipation (thermique, solutale et visqueuse) qui peuvent interagir de multiples façons et dans certains cas accroître la séparation des espèces.

Durant cette dernière décennie, cinq nouvelles thématiques ont été étudiées :

  1. La simulation numérique du comportement des fluides supercritiques en présence de perturbations thermiques ou mécaniques
  2.  l’interaction entre une onde acoustique et un fluide complexe avec comme application la la séparation des constituants d’un mélange binaire sous l’action d’une onde ultra sonore.
  3. Les phénomènes convectifs dans les nanofluides, dans la configuration de Rayleigh-Benard. Nous avons montré, contrairement à ce qui est généralement admis, que l’utilisation des  nanofluides n’entraine pas nécessairement une amélioration des transferts convectifs.
  4. l’Influence de différents types de conditions aux limites thermiques sur les écoulements Convectifs instationnaires et stationnaires et la prise en compte des caractéristiques thermophysiques des parois dans le processus de séparation des espèces des constituants d’une solution binaire.
  5. La thermodiffusion dans les mélanges ternaires et extension aux multiconstituants

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des objectifs de l’équipe ESA Topical team : Diffusion and Thermodiffusion . Coefficients Measurements in ternary mixtures, DCMIX. L’objectif de ce projet européen est la réalisation d’expériences de thermodiffusion sur des mélanges ternaires soigneusement sélectionnés.

Une dernière thématique est en cours d’étude. Elle porte sur Thermodiffusion dans des cellules de configurations géométriques nouvelles permettant de réduire le temps nécessaire à la séparation des espèces. 

Article :

  1. Mojtabi A. A new process for the determination of the Soret coefficient of a binary mixture under microgravity, International Journal of Thermal Sciences (2020).
  2. Mojtabi A. Khouzam A., Yacine L. and Charrier-Mojtabi MC., Analytical and numerical study of Soret mixed convection in two sided lid-driven horizontal cavity: optimal species separation, Int. J. of Heat and Mass transfer, V. 139, P.1037-1046 (2019).
  3.  Charrier-Mojtabi M. C., Jacob X., Dochy T., Mojtabi A., Species separation of a binary mixture under acoustic streaming, The European Physical Journal E, 42:64, (2019)
  4. Ouadhani S., Abdennadher A., Mojtabi A., Bergeon A., Influence of vertical Vibrations on the stability of a Binary Mixture in Horizontal Porous layer Subjected to a Vertical Heat Flux, Transport in Porous Media, V:124, I:1, p.203-220, (2018)
  5. Mojtabi A., Ouattara B., Rees D.A.S., Charrier-Mojtabi M.C., The effect of conducting bounding horizontal plates on species separation in porous cavity saturated by a binary mixture Int. J. Heat and Mass Transfer V. 126I: part A, p. 479-488, (2018)

Permanent.e.s du groupe associé.e.s :

Abdelkader Mojtabi : Pr. Emérite UPS/ IMFT, groupe MP&B

Marie-catherine Charrier-Mojtabi : Pr. Emérite UPS/ IMFT, groupe MP&B

Xavier Jacob : MCF UPS / IMFT, groupe MP&B

Alain Bergeon, Pr. UPS /IMFT, groupe ASI

Non-permanent.e.s du groupe associé :  

Pierre Costeséque : Maître de conférences retraité UPS/IMF