Brevet FR2696503A1 — publié le 19940408

L'invention concerne la stabilisation d'une masse liquide après arrêt de rotation de son conteneur. Dans certaines applications, telles notamment celles où l'on embarque des liquides dans des fusées, que ce soit des liquides de combustion ou des liquides d' expérimentation, il est souhaitable et parfois impératif de faire cesser le mouvement de rotation d'une masse liquide, qui a été mise en mouvement rotationnel par exemple par le mouvement de rotation inéluctable de la fusée lors de son envol. De tels mouvements de rotation peuvent présenter par exemple de sérieuses conséquences sur les conteneurs du fait d'un accroissement des contraintes exercées par le liquide et rendent, en tout cas, inopérable toute expérimentation en milieu liquide parfaitement calme. La présente invention concerne un procédé de stabilisation d'une masse liquide après arrêt de rotation de son conteneur, qui permet de déclencher et d'assurer un processus rapide de stabilisation du liquide, c'est-à-dire de le rendre quasi-immobile par rapport à son conteneur une fois immobilisé en rotation et cet objectif de l'invention est atteint en ce qu'on soutire un débit de liquide hors de ladite masse et en ce qu'on le renvoie dans ladite masse en une position éloignée de la position de soutirage, les soutirage et renvoi s'effectuant selon les directions parallèles à l'axe de rotation. De préférence la position de soutirage correspond à une zone d'extrémité de la masse liquide substantiellement dans un plan normal à l'axe de rotation, alors que la position de renvoi correspond à une zone d'extrémité qui est axialement à l'opposé de ladite zone d'extrémité du soutirage. De préférence également, la position de soutirage et la position de renvoi sont aussi éloignées que possible de l'axe de rotation. En outre, il est particulièrement avantageux de faire en sorte que les positions de soutirage et de renvoi soient opposées angulairement par rapport à l'axe de rotation. L'invention a également pour objet un dispositif de traitement d'une masse liquide, du genre comprenant un conteneur pour ledit liquide, un support pour ledit conteneur apte à lui imprimer un mouvement de rotation autour d'un axe, qui se caractérise par un moyen de soutirage liquide et un moyen de renvoi liquide hors et dans ledit conteneur respectivement, lesdits moyens de soutirage et de renvoi s' étendant dans une direction parallèle audit axe et étant reliés l'un à l'autre par un moyen de circulation liquide. L'invention est maintenant décrite en référence au dessin annexé qui représente schématiquement un dispositif selon l'invention. Un conteneur 1, ici du type cubique, est monté à rotation autour d'un support schématiquement représenté en 2, apte à imprimer au conteneur 1 un mouvement de rotation selon l'axe XX'. Sur une paroi d'extrémité 3, qui est normale à l'axe de rotation XX', est aménagé un moyen de soutirage 4 qui s'étend dans une direction parallèle à l'axe de rotation XX' et qui est situé le plus loin possible de cet axe de rotation XX', en l'occurrence près d'un angle 5 du conteneur cubique 1. Ce moyen de soutirage est raccordé à une tubulure 6 incorporant successivement une pompe péristaltique 7 et une perte de charge 8 constituée de billes de verre pour aboutir à un moyen de renvoi 9 qui réinjecte le liquide soutiré en 4. Ce moyen de renvoi 9 s'étend lui-même dans une direction parallèle à l'axe XX' au travers d'une paroi d'extrémité 10 qui est opposée à la paroi de soutirage 4 et le moyen de renvoi 9 se situe le plus près possible d'un angle 11 qui est opposé à l'angle 5, de sorte que le moyen de renvoi 9 est opposé angulairement par rapport à l'axe XX' au moyen de soutirage 4. L'expérience montre que la disposition décrite assure rapidement une fragmentation du mouvement de la masse liquide 12 mise en circulation tourbillonnaire autour de l'axe XX' par une rotation transitoire du conteneur 1. Un examen filmé montre que le tourbillon liquide se subdivise alors en une série de petits mouvements rotationnels, qui se freinent mutuellement et assurent rapidement une immobilisation de la masse liquide par rapport à son conteneur. On donne ci-après les résultats d'essais sur deux conteneurs en forme de cellules cubiques d'arêtes 10 cm et 7 cm et selon différentes procédures indiquées sur l'échelle des temps. L'origine des temps t = 0 correspond à l'arrêt de la rotation de la cellule. Pour chaque configuration, on donne la valeur de la vitesse angulaire de rotation de la cellule et on indique les périodes de fonctionnement de la pompe et son mode, c'est-à-dire avec (débit = 1 l/mn) ou sans perte de charge (débit = 6 1/mn). CELLULE DE 10 CM D'ARETE temps -30 0 30 t/sec #= 2 rps #= 0 (1) pas de pompe #= 2 rps #= 0 (2) pompe avec perte arrêt de la de charge pompe #= 2 rps #= 0 (3) pompe sans perte arrêt de la de charge pompe Les vitesses moyennes exprimées en mm/s à différents temps sont les suivantes (à partir du temps 0) eEs 1 (mn > 2 (mn) 3 (mn) (1) 10 mm/s 1,7 mm/s 1,2 mm/s (2) 1,8 mm/s 0,8 mm/s 0,4 mm/s (3) moins efficace que (2) L'efficacité de la recirculation est tout à fait significative. CELLULE DE 7 CM D'ARETE Tous les essais ont été faits avec la perte de charge (1 1/mn). temps -45 0 10 15 30 t(sec) #= 2 rps #= 0 (4) pompe pompe arrêtée #= 3 rps #= 0 (5) pompe pompe arrêtée # = 3 rps # = 0 (6) pompe pompe arrêtée # = 3 rps # = 0 (7) pompe pompe pompe arrêtée arrêtée Les vitesses moyennes exprimées en mm/s à différents temps sont les suivantes (à partir du temps 0) : temps 2 (mn) 2,5 (mn) 3 (mn) (4) 0,64 0,40 0,24 (5) 0,61 0,46 0,33 (6) 0,47 0,32 0,30 (7) 0,56 0,36 0,33 Les résultats montrent qu'il n'est pas nécessaire de faire recirculer le fluide sur lui-même pendant longtemps. Il suffit que les gros tourbillons soient brisés, après quoi les tourbillons élémentaires ainsi formés se freinent mutuellement. L'invention a été mise en oeuvre à une expérimentation sous microgravité, destinée à étudier l'effet Marangoni de soluté, et qui consiste à injecter, sous microgravité, une goutte unique de nitroéthane au coeur d'une solution aqueuse tensio-active, en vue de constater la mise en mouvement de la goutte ainsi injectée avec une vitesse maximale de l'ordre de 3 à 4 mm/s. Cette expérience en apesanteur, donc nécessairement faite sur fusée, conduit à immobiliser une masse liquide en mouvement tourbillonnaire à vitesse de l'ordre de 30 mm/s du fait de la rotation de la fusée, donc du conteneur autour d'un axe qui peut d'ailleurs être plus ou moins écarté de son axe propre, et l'on ne peut se permettre d'attendre un laps de temps relativement long de stabilisation naturelle du liquide. L'efficacité du système de stabilisation décrit est assurée si - le temps de pompage est globalement égal au temps nécessaire au renouvellement de la masse liquide à stabiliser une fois la rotation extérieure achevée - la vitesse débitante de la recirculation doit être légèrement inférieure à la vitesse maximale du liquide en rotation. Dans les expériences 5, 6, 7 le volume à stabiliser est 343 cm3 ; avec un débit de 1 1/mon, il est renouvelé en 20 sec (temps du même ordre de grandeur que les 15 et 30 sec expérimentées). Le diamètre de la section d'entrée de l'embout du circuit extérieur est 0,7 cm, ce qui donne une vitesse débitante de 43 cm/s. Cette valeur est légèrement inférieure à la vitesse maximale du liquide en rotation définie par la relation wl 7 Umax= = o#x-=oo cm/s. 2 2 D'autre part, il n'est pas nécessaire de pomper pendant la mise en rotation. On peut se contenter de ne pomper qu'après l'arrêt de la rotation extérieure imposée (cf. expérience 7). Ces règles s'appliquent quel que soit le volume concerné et quelle que soit la vitesse de rotation. REVENDICATIONS 1. Procédé de stabilisation d'une masse liquide (12) après arrêt de rotation de son conteneur (1), caractérisé en ce qu'on soutire (4) un débit de liquide hors de ladite masse (12) et en ce qu'on le renvoie (9) dans ladite masse (12) en une position éloignée de la position de soutirage (4), les soutirage (4) et renvoi (9) s'effectuant selon les directions parallèles à l'axe de rotation (XX'). 2. Procédé de stabilisation d'une masse liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position de soutirage (4) correspond à une zone d'extrémité de la masse liquide (12) substantiellement dans un plan normal (3) à l'axe de rotation (XX'), alors que la position de renvoi (9) correspond à une zone d'extrémité (10) qui est axialement à l'opposé de ladite zone d'extrémité du soutirage (3). 3. Procédé de stabilisation d'une masse liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que la position de soutirage (4) et la position de renvoi (9) sont aussi éloignées que possible de l'axe de rotation (xX'). 4. Procédé de stabilisation d'une masse liquide selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les positions de soutirage (4) et de renvoi (5) sont opposées angulairement par rapport à 1 ' axe de rotation (XX'). 5. Dispositif de traitement d'une masse liquide, du genre comprenant un conteneur (1) pour ledit liquide, un support (2) pour ledit conteneur (1) apte à lui supprimer un mouvement de rotation autour d'un axe (XX' ), caractérisé par un moyen de soutirage liquide (4) et un moyen de renvoi liquide (9) hors et dans ledit réservoir (1) respectivement, lesdits moyens de soutirage (4) et de renvoi (5) s'étendant dans une direction parallèle audit axe (XX') et étant reliés l'un à l'autre par un moyen de circulation liquide (6, 7, 8). 6. Dispositif de traitement d'une masse liquide, selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de soutirage (4) et les moyens de renvoi (9) sont agencés sur le conteneur (1) en des positions éloignées le long de l'axe de rotation (XX'). 7. Dispositif de traitement d'une masse liquide, selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de soutirage (4) et les moyens de renvoi (9) sont agencés en des positions les plus éloignées possible de l'axe de rotation (XX'). 8. Dispositif de traitement d'une masse liquide, selon la revendication 5 ou 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de soutirage (4) et les moyens de renvoi (9) sont opposés angulairement par rapport à l'axe de rotation (XX'). 9. Dispositif de traitement d'une masse liquide, selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le moyen de circulation (7-8) est une pompe (7), par exemple du type péristaltique, le cas échéant associé à un moyen formant perte de charge (8), par exemple des billes.