Évolution temporelle de la forme de la cavité

4.1.3 Aplanissement de la zone d’impact . . . 92 4.1.4 Angle initial latéral de la cavité . . . 93 4.1.5 Nappe liquide . . . 94 4.1.6 Entraînement de gaz . . . 97 4.1.7 « Pool-effect » . . . 97 4.1.8 Analyse de la température de surface . . . 101 4.1.9 Conclusions . . . 113

4.2 Obtention de la profondeur en fonction du temps . . . 114

4.2.1 Synchronisation . . . 114 4.2.2 Repérage des points importants . . . 114 4.2.3 Procédure d’analyse d’image . . . 114 4.2.4 Résultats bruts . . . 118

4.3 Analyse avant « pool-effect » . . . 121

4.3.1 Vitesse d’ablation . . . 121 4.3.2 Comparaisons avec la littérature . . . 125 4.3.3 Développement de nouvelles corrélations . . . 129 4.3.4 Influence de l’état de surface à l’impact . . . 132

4.4 Transition vers le « pool-effect » . . . 134

4.4.1 Résultats bruts . . . 135 4.4.2 Modélisation de la transition vers le « pool-effect » . . . 137 4.4.3 Comparaisons . . . 140

4.5 Analyse en « pool-effect » . . . 143

4.5.1 Évolution de la profondeur d’ablation au cours du temps . . . 143 4.5.2 Étude de la vitesse d’ablation en « pool-effect » . . . 149 4.5.3 Modélisation de la vitesse d’ablation en « pool-effect » . . . . 156 4.5.4 Phénomènes mis en jeu lors du « pool-effect » . . . 158

4.1 Phénoménologie de l’ablation

Cette section rassemble l’ensemble des constatations phénoménologiques faites lors de la réalisation des expériences et de leur analyse. Elle commence par une présentation qualitative de la forme de la cavité. Un épaulement est constaté au sein de la cavité. Sa signification physique est étudiée. Ensuite, le mode de sortie de la cavité du fluide est analysé. L’entraînement de gaz lors du « pool-effect » est considéré. Les constatations expérimentales sur le « pool-effect » sont ensuite présentées. Enfin, la température de surface du liquide lors de l’ablation est analysée.

4.1.1 Évolution temporelle de la forme de la cavité

Figure 4.1 – Évolution de la forme de la cavité au cours du temps annotée avec mise en évidence des points importants. A : Point d’impact. B,B’ : Fin de la zone de stagnation. C,C’ : Début de l’épaulement. D,D’ : Fin de l’épaulement. E,E’ : Fin de la cavité. Les flèches noires indiquent l’extension radiale de la zone de stagnation prévue par Stevens

et al.[1]. Essai 623 réalisé avec une température de jet de 50 oC, une buse de 6 mm et un Reynolds de 55 000.

La figure 4.1 montre l’évolution de la forme de cavité au cours du temps pour l’essai 623 réalisé avec un diamètre de buse de 6 mm, une température de 50 oC, un nombre de Reynolds de 55 000 et un nombre de Prandtl de 3, 55. Le temps utilisé est le temps adimensionné par le temps de transition vers le « pool-effect » : t∗ = t/tpe. Pour faciliter la description, des points remarquables ont été notés sur l’image correspondant à t∗ = 0, 75. Pour juger de la généralité de cette description les images correspondant à t∗ = 0, 5,

essais réalisés avec une buse de 6 mm et en figures 4.5 et 4.6 pour ceux effectués avec une buse de diamètre 10 mm.

Figure 4.2 – Évolution de la forme de la cavité en fonction de t^∗ pour les essais effectués avec un diamètre de buse de 6 mm et une température de jet d’environ 30oC. Les flèches correspondent à une distance de 0, 75 · Dj à l’axe du jet et la barre noire à une longueur de 1 cm.

Avant l’apparition du « pool-effect », on peut faire la description suivante de la forme de la cavité – cf. figure 4.1, t∗ = 0, 75. Partant du point d’impact A, on remarque une zone relativement plate qui s’étend jusqu’au point B. Cette planéité sous-entend que la vitesse de fonte est constante sur cette zone. Ensuite, la cavité s’évase en prenant la forme d’un tronc de cône qui est arrêté par un épaulement au point noté C. L’interface apparaît lisse entre B et C. L’évasement de la cavité suppose une réduction de la vitesse de fonte. La paroi semble alors s’aplanir entre C et D pour ensuite reprendre une évolution

Figure 4.3 – Évolution de la forme de la cavité en fonction de t^∗pour les essais effectués avec un diamètre de buse de 6 mm et une température de jet d’environ 50oC. Les flèches correspondent à une distance de 0, 75 · Dj à l’axe du jet et la barre noire à une longueur de 1 cm.

approximativement tronconique, mais on note des oscillations à l’interface. La cavité n’est alors plus rigoureusement symétrique.

Lorsque le liquide n’arrive plus à s’échapper de la cavité sous forme de film, la cavité se remplit. C’est le « pool-effect ». Lors du « pool-effect » on remarque que les différentes zones de la cavité disparaissent progressivement, notamment l’épaulement, pour donner une forme globale de cavité plus arrondie et allongée.

Avant l’apparition du « pool-effect », la forme de la cavité semble autosimilaire. Un exemple plus détaillé d’évolution pour les essais 623, 624 et 625 est disponible en figure

Figure 4.4 – Évolution de la forme de la cavité en fonction de t^∗ pour les essais effectués avec un diamètre de buse de 6 mm et une température de jet d’environ 70oC. Les flèches correspondent à une distance de 0, 75 · Dj à l’axe du jet et la barre noire à une longueur de 1 cm.

4.7. Ces expériences ont été réalisées avec une buse de 6 mm, une température de jet de 50oC et des vitesses de jet de respectivement : 5, 1 m.s−1, 7, 5 m.s−1 et 10, 0 m.s−1. Ces essais ont été choisis, car ils montrent les différentes formes que l’on peut rencontrer. Les lignes verticales sur les images correspondent aux points B, C et D définis dans la figure 4.1. On remarque qu’à partir du moment où la cavité a pris une forme elle la maintient jusqu’à l’apparition du « pool-effect ».

Sur l’image présentée au moment du « pool-effect » sur la figure 4.1 et sur celles présentées pour les autres essais avant l’apparition du « pool-effect » des flèches cor-respondant à une distance de 0, 75 · Dj sont représentées. Dans la majeure partie des cas, ces flèches encadrent la zone approximativement plate au-delà de laquelle la cavité

Figure 4.5 – Évolution de la forme de la cavité en fonction de t^∗pour les essais effectués avec un diamètre de buse de 10 mm et une température de jet d’environ 30oC. Les flèches correspondent à une distance de 0, 75 · Dj à l’axe du jet et la barre noire à une longueur de 1 cm.

prend une forme tronconique. Cette valeur de 0, 75 · Dj correspond à l’extension radiale de la zone de stagnation à l’impact d’un jet turbulent selon Stevens et al. [1]. Ainsi, il semble possible d’affirmer que la partie plate correspond à la zone de stagnation décrite pour les jets impactant une paroi plane [27, 25]. Dans la zone de stagnation la couche limite est d’épaisseur constante. Le flux thermique ne dépend pas de la distance à l’axe du jet. Donc on s’attend à obtenir une surface d’ablation plane, ce qui est vérifié par les expériences.

Figure 4.6 – Évolution de la forme de la cavité en fonction de t^∗ pour les essais effectués avec un diamètre de buse de 10 mm et une température de jet d’environ 50oC et 70oC. Les flèches correspondent à une distance de 0, 75 · Dj à l’axe du jet et la barre noire à une longueur de 1 cm.

Le liquide peut sortir de la cavité de plusieurs manières ; elles sont décrites plus loin – cf. section 4.1.5. Il peut notamment s’échapper de la cavité sous forme d’une nappe liquide cohérente, comme indiqué sur l’image à t∗= 0, 25 de la figure 4.1.

En examinant les figures dans lesquelles sont présentés l’ensemble des essais, on re-marque que certains essais ne semblent pas répondre à la description faite ici. La zone d’impact semble plane sur une distance bien supérieure à l’extension radiale de la zone de stagnation. Néanmoins, il nous semble que la forme de la cavité est la même. Pour l’expliquer, il nous faut clarifier la nature de l’épaulement visible sur la figure 4.1, ce qui est l’objet de la section suivante.

Figure 4.7 – Évolution de la forme de la cavité en fonction du temps pour les essais 623 – Vj = 5, 1 m.s−1, Re = 55 000 – 624 – Vj = 7, 5 m.s−1, Re = 82 000 – et 625 –

Vj = 10, 0 m.s−1, Re = 109 000 – qui ont été réalisés avec un diamètre de buse de 6 mm et une température de jet de 50oC. Les lignes verticales correspondent aux points B, C et D définis en figure 4.1. Le point B n’est pas visible sur les images du test 625.