Un exemple d'interaction fluide-fluide: "essorage" par un jet d'air turbulent d'un film liquide entraîné par une plaque en mouvement

Example of fluid-fluid interaction: air-jet wiping of a liquid thin film dragged by a moving plate

¹ Laboratoire Inter-établissements TREFLE – UMR CNRS 8508, Site ENSCPB, 16 Av. Pey-Berland, 33607 Pessac Cedex, France
² ARCELOR Research, Voie Romaine, 57280 Maizières-lès-Metz, France

Auteur de correspondance : arquis@enscpb.fr

Reçu : 1 Septembre 2006
Accepté : 23 Janvier 2007

Résumé

Cet article présente une simulation numérique des interactions hydrodynamiques entre une plaque solide en mouvement, un film liquide entraîné par cette plaque et un fluide gazeux au repos ou structuré en jet plan impactant ce film, dans une hypothèse de géométrie cartésienne 2D essentiellement, mais également 3D. Cette problématique se rencontre dans des applications procédés "matériaux" (contrôle d'épaisseur de dépôt ou d'états de surface en sidérurgie) ou pour dans les parois protectrices (des véhicules spatiaux en phase de rentrée atmosphérique ou des réacteurs de fusion nucléaire) et d'une certaine façon dans des problèmes de condensation avec balayage par un écoulement gazeux. Ce problème allie de nombreuses difficultés physiques et numériques : traitement des interfaces liquide-gaz et des instabilités qui y prennent naissance, turbulence dans la zone gazeuse et éventuellement dans la zone liquide. Une autre difficulté est inhérente aux multiples échelles rencontrées : procédé à l'échelle centimétrique-métrique, épaisseur de film à l'échelle millimétrique-micronique, échelles de turbulence variées. Notre travail va tenter de vaincre ces difficultés et de produire des résultats en conditions réelles ... ou du moins au plus près de celles-ci.

Abstract

This works deals with the numerical simulation of hydro-dynamical interactions between a solid moving plate, a metallic liquid film covering it and a gaseous fluid at rest or structured as an air-jet, mainly in the frame of 2D-Cartesian geometry but also in full 3D. This problematic is encountered in Material Processing applications (such as the controlling of thickness of the liquid film in metallurgy, the paper industry, covered fibre manufacturing) or for Thermal Protection Walls (spatial vehicles in atmospheric re-entry phase or in confinement walls for nuclear fusion reactors) and in some ways, it is also encountered in problems of condensation interacting with air-flows. This problem combines physical and numerical difficulties related to the treatment of liquid-gas interfaces, the appearance of front instabilities, stemming from the turbulent nature of the flow in the gas and eventually in the liquid itself. An additional challenge is inherent to the various time and space scales: the process is typically at a centimetre-metre scale whilst the film should be tracked at both millimetre and micron scale, and the turbulence induced by the jet flow covers a large spectrum of scales. The present work will try to overcome all these difficulties in order to produce results in real conditions with appropriate and manageable modelling.