Étude d’un cycle de givrage

Lors d’une dernière expérience, le second rapport de fluorescence R₃₁ a été utilisé

pour analyser le changement de phase de gouttes surfondues pendant un cycle dit de

gi-vrage. Pour cela, des injecteurs permettant la génération de petites gouttes (d_g <40µm)

ont été utilisées. Afin de générer des cristaux de glace, le point de fonctionnement du PAG

est modifié en augmentant soudainement la pression d’injection du liquide. Cette

aug-mentation de la pression se caractérise par une diminution brutale de taille des goutte

(non caractérisé ici) et par la génération de cristaux de glace dans la soufflerie. Par

consé-quent, les gouttes détectées au point de mesure sont, d’après des mesures préalablement

réalisées à la DGA, totalement solidifiées. L’objectif ici est d’observer et d’analyser cette

phase à l’aide de la technique LIF. Du fait des petits diamètres mis en jeux, il a été

néces-saire d’augmenter la concentration des colorants fluorescents d’un facteur 4 afin

d’obte-nir un signal de fluorescence. L’accroissement concomitant des phénomènes

d’absorp-tion du rayonnement laser et de réabsorpd’absorp-tion de la fluorescence peuvent devenir

impor-tants, mais cela n’a aucune conséquence sur la détection du changement de phase à l’aide

du rapportR₃₁de fluorescence.

La phase de givrage est illustrée en Figure4.24où l’évolution du rapport de

fluores-cenceR₃₁/R_31,0est donné en fonction du temps. Notons que la référenceR_31,0est

mesu-rée au point de mesure avant le déclenchement du cycle de givrage, le rapport correspond

donc à celui de gouttes purement liquides. Le changement de phase commence àt=25

s où l’on observe une forte augmentation du rapportR31/R31,0. Det=45 s àt=100 s, le

rapport de fluorescence reste globalement stable ce qui signifie que les gouttes détectées

sont pour la plupart solides [13]. La valeur maximale de l n(R₃₁/R_31,0) est de 2, 25 pour

ln

𝑅

/𝑅

,

𝑡 𝑠

Séquence de givrage

Goutte mixte

Goutte solide

𝑆

1 _𝑁

𝜒

,

FIGURE4.24 – Évolution du rapport de fluorescenceR31/R31,0en fonction du temps pour un cycle

de givrage et de la fraction de glace estimée cumulée durant la séquence de givrage

les gouttes majoritairement solides au cours de cette expérience, valeurs largement

supé-rieure à celle observé sur le train de gouttes monodispersés (Section4.3). Cette différence

est liée à l’augmentation de la concentration des colorants qui modifient aussi le chemin

optique effectifs (équation3.32). Ensuite, entret=100 s ett=160 s, une forte fluctuation

du rapport de fluorescenceR₃₁/R_31,0est observée. Elle est attribuée à un comportement

non contrôlé des injecteurs. Néanmoins, ce comportement se traduit par une quantité

plus élevée de gouttes partiellement solidifiées. Enfin, lorsque la phase de givrage est

ar-rêtée (à t =160 s), en diminuant la pression d’injection de l’eau dans les injecteurs, le

rapport de fluorescence R₃₁/R_31,0diminue jusqu’à t =200 s où des gouttes surfondues

réapparaissent, conduisant à un rapport de fluorescence qui s’approche de 1. Là encore,

une nouvelle fluctuation se produit en fin de séquence. Les nouvelles conditions

d’in-jection ne sont sans doute pas encore totalement établies. Au vue du rapport R₃₁/R_31,0

observé durant la séquence de gel (c’est-à-dire entre t =45 s et t =160 s), il est

pos-sible d’estimer la proportion des gouttes purement liquides. Comme précédemment, une

goutte est considérée purement liquide dès lors que le rapport de fluorescenceR₃₁/R_31,0

est inférieur à 1,2. Durant la séquence de givrage, le rapport de fluorescenceR₃₁/R_31,0est

toujours supérieur à 1,2, ce qui signifie que la proportion de goutte purement liquide est

nulle. Enfin, il est possible d’estimer la proportion d’eau solide pendant la phase de

gi-vrage selon le même traitement de données que celui présenté sur la Figure4.15. Le seuil

S_m de l’équation4.30est donc pris égale à 2.2. Durant cette séquence de gel, la fraction

de goutte purement solide est estimée à 55%. Ce qui signifie, que la proportion de goutte

mixte (i.e. liquide/solide) est de 45%. Enfin, comme précédemment en se servant de la

linéarité du logarithme du rapport de fluorescence avec la fraction de glace, il est

pos-sible d’estimer la fraction de glace volumique moyenne durant la séquence de gel. Elle est

ici estimer à 88%. Les données des fractions de gouttes liquides, mixtes, solides et de la

fraction volumique moyenne de glace sont résumés dans le Tableau4.6:

F r ac t i on d e g out t es100%l i qui d es 0%

F r ac t i on d e g out t es mi xt es 45%

F r ac t i on d e g out t es100%sol i d es 55%

F r ac t i on vol umi que moyenne d e g l ace 88%

TABLEAU 4.6 – Caractérisation de la granulométrie des injecteurs utilisées dans la soufflerie

gi-vrante DGA.

Pour terminer, il est possible de déterminer l’évolution de la fraction de glace au cours

du temps durant la séquence de givrage. La Figure4.24représente dans l’axe de droite

l’évolution de la fraction de glace moyenne cumulée au cours du temps. On observe que

cette fraction de glace cumulée est maximum au début de séquence de gel et qu’elle

dé-croît au cours du temps du fait de l’apparition de gouttes mixtes dans la veine d’essais.

4.3 Conclusion du chapitre

La technique de mesure de LIF3c2d a tout d’abord été utilisée pour la caractérisation

de gouttes évoluant dans un environnement froid à faible vitesse. L’étude d’un train de

gouttes monodispersées a permis de tester la mesure de température de gouttes

surfon-dues et de les comparer avec un modèle de transfert thermique permettant de prendre en

compte l’effet de l’interaction entre les gouttes. Ensuite, la technique de mesure a été

tes-tée pour estimer la fraction de glace dans une population de gouttes évoluant dans un

en-vironnement froid. La technique de mesure a ensuite été utiliser pour la caractérisation de

gouttes en conditions givrantes proches de celles rencontrées en aéronautique. L’objectif

a été de tester la nouvelle chaîne LIF3c2d dans ces conditions et également de pouvoir

apporter quelques éléments de réponse sur la représentativité des conditions givrantes

reproduites par une soufflerie givrante dans le cas de SLD (diamètre des gouttes

supé-rieures à 50µm). Les mesures ont été réalisées sur le site de la DGA Essais-Propulseurs à

Saclay dans une soufflerie à recirculation nommée Petit Anneau Givrant (PAG). Les

me-sures de LIF3c2d ont permis d’analyser l’influence de la température de l’air, de la vitesse

de l’écoulement, de l’humidité relative, de la teneur en eau et de la taille des gouttes sur

la température des gouttes. Il a ainsi été possible de montrer la difficulté d’obtenir des

conditions givrantes représentatives de celles rencontrées dans l’atmosphère dans le cas

de SLD à l’équilibre thermodynamique avec la phase porteuse. Notamment, l’influence

de la vitesse des goutte, de l’humidité, de la teneur en eau et de la vitesse de l’écoulement

sur les conditions obtenues dans la veine d’essais en termes de température de gouttes.

Par ailleurs, il a été possible de déterminer la fraction de glace en temps réel lors d’un

cycle de givrage, ce qui est particulièrement nouveau et utile pour la caractérisation des

conditions créées dans une soufflerie.

4.4 Références

[1] B. Abramzon and W. Sirignano. Droplet vaporization model for spray combustion

calculations.Int. J. Heat Mass Transfer, 32(9) :1605–1618, 1989.104

[2] G. Castanet, L. Perrin, O. Caballina, and F. Lemoine. Evaporation of closely-spaced

interacting droplets arranged in a single row.International Journal of Heat and Mass

Transfer, 93 :788–802, 2016. XVIII,110

[3] V. Deprédurand. Approche expérimentale de l’évaporation de sprays de combustibles

multicomposant. PhD thesis, Institut National Polytechnique de Lorraine, 2009.109

[4] V. Deprédurand, P. Miron, A. Labergue, M. Wolff, G. Castanet, and F. Lemoine.

A temperature-sensitive tracer suitable for two-colour laser-induced fluorescence

thermometry applied to evaporating fuel droplets. Measurement Science and

Tech-nology, 19(10) :105403, 2008.110

[5] C. J. Hickey, R. Raspet, and W. V. Slaton. Effects of thermal diffusion on sound

atte-nuation in evaporating and condensing gas-vapor mixtures in tubes. The Journal of

the Acoustical Society of America, 107(3) :1126–1130, 2000. 109

[6] M. Jain, R. S. Prakash, G. Tomar, and R. Ravikrishna. Secondary breakup of a drop at

moderate weber numbers.Proceedings of the Royal Society A : Mathematical, Physical

and Engineering Sciences, 471(2177) :20140930, 2015. 111,120

[7] A. Labergue, J.-D. Pena-Carillo, M. Gradeck, and F. Lemoine. Combined three-color

{LIF}-{PDA} measurements and infrared thermography applied to the study of the

spray impingement on a heated surface above the {Leidenfrost} regime.

Internatio-nal JourInternatio-nal of Heat and Mass Transfer, 104 :1008–1021, 2017. 123

[8] S. Optique and J. J. Kielar. THÈSE interférométrique pour les applications

aéropor-tées Présentée et soutenue par. 2016. 99

[9] L. Perrin. Etude expérimentale de l ’ évaporation à haute température de gouttes de

combustible en régime de fortes interactions à l ’ aide de méthodes optiques. 2014.

108,110

[10] L. Perrin, G. Castanet, and F. Lemoine. Characterization of the evaporation of

in-teracting droplets using combined optical techniques. Experiments in Fluids, 56(2),

2015. 109

[11] S. Prakash and W. Sirignano. Theory of convective droplet vaporization with

uns-teady heat transfer in the circulating liquid phase. International Journal of Heat and

Mass Transfer, 23(3) :253–268, 1980.104

[12] W. Ranz, W. R. Marshall, et al. Evaporation from drops. Chem. eng. prog, 48(3) :141–

146, 1952. 104

[13] S. Saengkaew, G. Godard, and G. Grehan. Global Rainbow Technique : Temperature

evolution measurements of super-cold droplets. ICLASS 2018, 14 th Triennial

Inter-national Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Chicago, IL, USA, July

22-26, 2018, pages 1–7, 2018.120,121,122,124

[14] S. E. Wood, M. B. Baker, and B. D. Swanson. Instrument for studies of homogeneous

and heterogeneous ice nucleation in free-falling supercooled water droplets. Review

of Scientific Instruments, 73(11) :3988–3996, 2002. 99

Solidification d’une goutte impactant

une paroi sous-refroidie

Sommaire

5.1 Dispositif expérimental . . . 129

5.1.1 Impact de gouttes sur paroi sous-refroidie . . . 129

Dans le document Modélisation et développement de diagnostics optiques pour la caractérisation de gouttes surfondues en écoulement ou en interaction avec un substrat sous-refroidi (Page 147-151)