1.3.1 Régimes de fractionnement d’un jet liquide
On distingue au moins quatre régimes de fractionnement d’un jet liquide [1, 7] en fonction de l’augmentation progressive de la vitesse du liquide dans le gaz environnant. Le régime de Rayleigh : La tension superficielle va créer des oscillations asymé- triques de plus en plus grandes à la surface du jet. Lorsque ces oscillations at- teignent une amplitude critique, il y a rupture du jet à son extrémité sous forme de gouttelettes dont le diamètre est supérieur au diamètre du jet.
Le premier régime induit par l’aérodynamique : L’effet de la tension superficielle augmente par la vitesse relative entre le jet et le gaz environnant, qui produit une distribution de pression statique à travers le jet, ainsi le processus de rupture est accéléré. Comme dans le régime de Rayleigh, la rupture en gouttelettes intervient à plusieurs diamètres de jet en aval de la buse. Les diamètres de goutte sont de l’ordre du diamètre du jet.
Le second régime induit par l’aérodynamique : Les gouttelettes sont produites par les instabilités de faible longueurs d’onde qui se développent à la surface du jet causées par la haute vitesse relative entre le jet et le gaz environnant. La rup- ture intervient à plusieurs diamètres en aval de la buse et le diamètre moyen des gouttes est beaucoup plus faible que le diamètre du jet.
Le régime d’atomisation : Le jet se désintègre dès la sortie de la buse du fait de la très haute vitesse d’injection. Les diamètres moyens de gouttes sont beaucoup plus faible de l’ordre du microns.
La Figure 1.16 présente le schéma de chaque régime en fonction des vitesses d’in- jection de liquide et de la longueur de rupture. L’importance de chaque mécanisme
Figure 1.16 – Classification des régimes de rupture d’un jet de liquide (Source : Faeth [6]).
d’Ohnesorge (Oh). Ces nombres adimensionnels permettent de classer les différents ré- gimes de fractionnement d’un jet liquide tels qu’ils sont observés expérimentalement. Le nombre de Reynolds mesure le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses, et s’écrit :
Re = ρLuLdbuse
µL
(1.7) Où ρL est la masse volumique du liquide, uL est la vitesse du liquide à la sortie de la
buse, dbuse est le diamètre de la buse et µL est la viscosité dynamique du liquide. À fort
nombre de Reynolds, l’écoulement est turbulent, sinon il est laminaire. Par exemple dans un écoulement laminaire dans une conduite est de l’ordre de quelques milliers. Le nombre de Weber quant à lui, mesure le rapport des forces inertielles sur la tension superficielle. Il caractérise la capacité d’une goutte provenant d’un jet ou d’un ligament à résister aux forces aérodynamiques grâce aux tensions superficielles, autrement dit à ne pas se désagréger en de nombreuses gouttelettes. Il s’écrit :
We = ρLuL2dbuse
σL
(1.8) Où σL est la tension superficielle du liquide. On peut ensuite en déduire le nombre
d’Ohnesorge qui caractérise la déformation de bulle et des gouttes. Il mesure le rapport des forces visqueuses avec la tension superficielle et les forces inertielles et est défini tel que :
Oh = √
We
Re (1.9)
À partir de ces grandeurs on peut déduire les différents régimes de fractionnement d’un jet liquide comme présenté Figure 1.17. Ces classifications s’appliquent généralement aux jets monophasiques. Nous verrons que dans le cadre de notre étude, nous nous retrouvons très vite dans le régime d’atomisation.
Figure 1.17 – Classification des régimes de rupture d’un jet de liquide (Source : Le- febvre [1], Reitz [7]).
1.3.2 La distribution des tailles de gouttes dans un spray
L’atomisation d’un fluide conduit à des diamètres de gouttes variés. Les sprays ob- tenus sont généralement très polydispersés. La plupart des atomiseurs génèrent des gouttes de diamètres allant de quelques micromètres jusqu’à environ 500 µm. Pour ca- ractériser un spray, en plus de la taille des gouttes moyenne, la distribution des tailles de gouttes au sein du spray est un autre paramètre important. Cette distribution de tailles de gouttes est généralement représentée par des histogrammes ou des fonctions de dis- tribution qui peuvent s’exprimer en nombre de gouttes, en surface ou encore en volume. Chaque représentation dépend de la technique expérimentale ou modélisation utilisée. Il existe différentes manières d’exprimer un diamètre représentatif du spray étudié. Le Diamètre Moyen de Sauter (Sauter Mean Diameter (SMD)) est généralement utilisé. Il représente la taille d’une goutte possédant le même rapport volume-surface moyen que l’ensemble des gouttes du spray. Le SMD permet de caractériser de façon globale une pulvérisation. D’autres diamètres caractéristiques peuvent également être utilisés tels que :
D10 : La moyenne des diamètres de toutes les gouttes du spray.
D30 : Le diamètre moyen en volume. Le volume des gouttes qui, multiplié par le nombre
D50 : Les gouttes plus petites que ce diamètre représentent 50% du volume total de
liquide. Il est défini comme le Diamètre Médian en Masse (Mass Median Diameter (MMD)). Il est très utile lors de la pulvérisation des fluides toxique lorsqu’il s’agit de s’assurer qu’il y ait peu de gouttes en dessous d’une certaine taille car elles pourraient être emportées par l’air environnant.
D90 ou DV0.90 : Les gouttes plus petites que ce diamètre représentent 90% du volume
total de liquide.