Modélisation des sources de production de charge de la double couche électrique à l’interface solide/liquide

Des réactions physico-chimiques encore mal identifiées à l’interface d’un solide-liquide sont à l’origine de l’apparition d’une polarisation électrique de celle-ci appelée : double couche électrique (DCE). Au repos, après un temps de développement, la DCE atteint l’équilibre, caractérisé principalement par la densité volumique de charge dans le liquide près de l’interface et par son épaisseur (profondeur de distribution au sein du liquide). Lors de la mise en écoulement, le déplacement du liquide convecte une partie des charges (la couche diffuse) modifiant l’équilibre statique, et provoquant un courant de paroi. Ce courant de paroi évolue jusqu’à atteindre un équilibre dynamique. L’étude de ce processus transitoire permettrait de mieux comprendre ce phénomène. Dans cet objectif, nous avons développé au sein de l’institut Pprime, en collaboration avec J.M. Cabaleiro de chercheur à l’Université de Buenos Aires un modèle numérique implanté dans le logiciel de CFD « Code_Saturne » édité par EDF.. Dans cette approche numérique, différents scénarios du processus de séparation de charge ont été modélisées : modèle de corrosion et modèle d’adsorption. Pour les deux modèles (figure 1), les impuretés liquides sont ionisées au contact de la matière solide. Puis, les espèces ioniques du liquide d’un signe sont adsorbées préférentiellement à la surface du solide (modèle d’adsorption) alors que pour le modèle de corrosion, des molécules du solide sont ionisées, diffusent dans le liquide et réagissent avec les espèces ioniques liquides.

figure 1 : Scénarios de modélisation de la double couche électrique

Pour ces deux scénarios, les équations de conservation des différentes espèces et de charge, l’équation de Poisson, l’équation Naviers-Stockes ont été introduites dans l’outil numérique. Les différentes concentrations initiales d’espèces, leur mobilité et les constantes cinétiques des réactions chimiques définissent les données d’entrées du problème. La simulation est réalisée en deux étapes, sans écoulement du liquide dans un premier temps. La distribution des charges électriques à l’interface (dans les deux milieux) est simulée en fonction du temps, à partir de la mise en contact du solide et du liquide jusqu’à ce que soit atteint un état d’équilibre (l’équilibre statique). Puis dans un second temps, à partir de cet équilibre statique, l’écoulement du liquide est induit. La production des charges ainsi que sa nouvelle distribution sont calculées le long d’une conduite, de l’entrée ou le liquide « frai » est supposé totalement neutre vers la sortie de la conduite. Le courant d’écoulement, défini comme le courant des charges transportées par l’écoulement du liquide, est calculé et comparé aux résultats expérimentaux. La figure 2 est un exemple de simulation selon le modèle d’absorption du transport des charges du liquide pour un écoulement laminaire. Les travaux entrepris s’attachent actuellement à conduire une étude paramétrique avec les deux modèles en se focalisant sur le transitoire afin de se rapprocher au mieux des nombreuses données expérimentales historiques du laboratoire.

figure 2 : Transport convectif d’une double couche électrique établie statiquement (modèle d’adsorption)