Comparaison de méthodes de détection du vortex dans des cuves agitées

Un des travaux les plus significatifs dans le domaine de la prédiction des formes de la surface libre dans des cuves agitées date d'une quarantaine d'années avec la contribution de Shinji Nagata. Bien que les travaux de Nagata aient marqué le savoir sur les surfaces libres, la prédiction de l'état de la surface libre dans des cuves agitées en milieu industriel demeure un sujet qui a besoin de plus d'études. L'objectif de cette étude est d'évaluer la pertinence de deux méthodes expérimentales permettant de déterminer la forme de la surface libre depuis le haut d'une cuve de mélange. Un fluide newtonien à très faible viscosité est utilisé afin d'obtenir des vortex quantifiables. La première méthode, utilisée comme référence, se base sur des observations latérales d'une cuve à parois transparentes. La deuxième méthode, utilise un faisceau laser et une caméra CCD pour extraire la forme de la surface libre. La troisième méthode repose sur du traitement d'images et de l'échelle des gris afin de déterminer la forme tridimensionnelle de la surface libre. Dans le but d'évaluer la performance de chaque méthode, des essais de comparaison sur leur précision et reproductibilité sont effectués. Les résultats indiquent que les deux dernières méthodes (l'échelle des gris et le faisceau laser) fournissent des résultats fiables concernant la forme des vortex. Toutefois, la troisième méthode est celle qui dispose de la variabilité la plus grande. En plus, les méthodes testées permettent d'obtenir des mesures quantitatives pouvant adresser la modélisation de la forme des vortex dans les cuves agitées. Les méthodes d'investigation présentées dans cette étude sont utiles pour caractériser et déterminer les formes et profondeurs des vortex présents dans des conditions industrielles de mélange dans lesquelles des fluides et des cuves transparents ne sont pas utilisés.

Abstract

One of the most significant work on the prediction of the free surface shape in agitated tanks dates back to Nagata's early contribution, over 40 years ago. Despite the usefulness of Nagata's findings, more work is required in order to predict the shape of free surfaces accurately, especially in industrial conditions. The aim of this work was to evaluate the applicability of two experimental methods for determining the free surface shape from the top of a tank. A Newtonian fluid of low viscosity was used to generate quantifiable vortexes. The first method, used as a reference, is based on lateral observations of a transparent tank and on video recordings. The second one makes use of a laser beam to determine analogous information. The third method relies on image processing and grey scales to determine both the shape and the depth of the vortex. To assess the performance of each method, we compare their accuracy and repeatability. The results indicate that both methods (gray shades and laser beam) can provide reliable results for obtaining the shape of the vortex. However, more variability was observed with the gray shades method. Additionally, the methods tested can provide quantitative measurements leading to the modelling of the shape of the vortex. The investigation methods presented herein will be helpful to determine vortex shapes and depths in industrial mixing conditions where transparent tanks and fluids are not used.