Comparaison des profils lors de faibles vitesses d’évaporation

Lorsque les profils de fluorescence et de vitesse sont évalués au niveau des mêmes stations et que l’on utilise une écriture sous la forme adimensionnelle pour les couches limites (cf. section 4.2.1), on obtient les Figures 4.22(a) et 4.22(b). Elles représentent respectivement les valeurs moyennes adimensionnalisées ainsi que l’évolution des fluctuations de la vitesse (points) et du signal de fluorescence S_f (courbes).

(a)Profils moyens (b) Profils des fluctuations rms

Figure 4.22 – Profil des grandeurs moyennes adimensionnalisées (vitesses axiales Πv =

u^g/u^g_∞ et signal de fluorescence Π_Sf = ^Sf − S_f(yW≈ 0)

Sf(∞) − Sf(yW≈ 0)) (a) suivi de l’évolution de leurs fluctuations rms associées (b) à x_W = 90 mm et 120 mm

Les profils de vitesse et de concentration adimensionnalisés présentent plutôt une bonne concordance (surtout à la station x_W = 120 mm). Les évolutions spatiales des fluctuations sont également proches.

Dans le cas de couches limites turbulentes, Desoutter et al. [89] ont établi des lois de paroi dynamique, thermique et massique. Ils montrent que dans le cas de faibles vitesses d’évaporation et en présence de gradients modérés de masse volumique et de viscosité, les trois lois de paroi se réduisent à une loi de paroi classique [59]. Nous avons justement vu dans la section 4.2.3, que ces hypothèses étaient raisonnables dans notre cas, ce qui montre que l’évaporation ne modifie pas la structure des couches limites dans cette zone.

Cette analogie des profils présente un autre intérêt. Avec la connaissance des caracté-ristiques d’une variable, il est possible de réaliser une analyse sur une autre variable. Ceci permet d’estimer la vitesse locale d’évaporation avec les équations (4.9) et (4.10) :

v^g₀(x_W) = DAB 1 − Y_A0 YA0 ∂Π ∂yW     yW≈ 0 (4.16)

Y_A0 ≈ 10 %, d’après les résultats obtenus dans l’étude de l’évaporation globale du film liquide et le coefficient de diffusion de l’heptane dans l’azote D_AB = 7,3 × 10⁻⁶ m².s⁻¹ [35]. À x_W = 120 mm, l’application de l’équation (4.16) donne v^g₀ ≈ 5 × 10−4 m.s⁻¹.

Ce résultat apporte une information importante sur la distribution de la densité de flux massique évaporée le long de la paroi dans la configuration expérimentale. En effet, ce cal-cul sous-estime d’un facteur 5 les résultats expérimentaux obtenus pour le débit massique moyen évaporé sur la surface mouillée par l’heptane (voir Figure 4.16, où v₀^g ≈ n_A0, car

ρ^g ≈ 1 kg.m⁻³). Cette estimation locale donne en revanche une valeur proche de celle obte-nue par la théorie laminaire, ce qui explique la bonne concordance observée avec les résultats expérimentaux sur la Figure 4.16. Ceci est probablement lié à l’épaisseur importante de la couche limite turbulente obtenue avec le dispositif expérimental qui a pour effet de diminuer l’ensemble des gradients pariétaux.

Cette observation confirme, qu’avec le régime d’écoulement, l’épaisseur de la couche li-mite est un paramètre important dans l’évaporation. D’après les mesures (Figure4.18), son épaisseur dépasse déjà 7,5 mm à la station x_W = 30 mm. Dans la zone x_W ∈ [0; 30] mm, et en particulier au niveau du filet de liquide présent sur le bord d’attaque, l’épaisseur de la couche limite évolue fortement. L’ensemble des résultats théoriques et expérimentaux montre alors que l’évaporation y est forte.

4.4 Conclusion

Dans la configuration d’étude retenue, l’écoulement gazeux à contre-courant du film li-quide est nécessaire à la génération du front de flamme. C’est pourquoi, l’interaction film

liquide/gaz a été étudiée. Ce chapitre donne, dans cette configuration d’étude et sans

com-bustion, des éléments de réponse aux quatre premières questions fondamentales posées dans le premier chapitre.

Les expériences menées ont permis d’observer que le modèle de Nusselt reste valable pour la prédiction de l’épaisseur moyenne du film liquide (écart relatif maximal de l’ordre de 10 %). En revanche, l’examen de l’amplitude des fluctuations d’épaisseur a démontré que le comportement du film liquide cisaillé est largement modifié par rapport à un film liquide s’écoulant librement sur la paroi verticale. Une épaisseur moyenne d_{f l} du film liquide d’heptane comprise entre entre 50 et 100 µm peut être obtenue avec ce nouveau dispositif. À l’issue de l’analyse des résultats, une plage de débit correspondant à un faible Re/F i1/11 ≈ 0, 1 a été identifiée pour générer un film liquide dont l’interface liquide/gaz est proche d’un plan et peu sensible à une évolution modérée de vitesse d’écoulement gazeux. Ceci a pour avantage de limiter les sources de perturbations sur les transferts thermiques et de masse en limitant la déformation de la surface d’évaporation.

La nature des couches limites aérodynamique et massique a été étudiée à l’aide de la LDA, la PIV et la LIF. Au sein de la couche limite turbulente, une analogie des profils a pu être observée dans une zone où la vitesse d’évaporation reste faible. Celles-ci ont été estimées à partir d’une approche globale et locale. Les ordres de grandeur sont cohérents dans les deux démarches. Confortés par la théorie dans le cas laminaire, les résultats ont également montré que la faible épaisseur de la couche limite à proximité du bord d’attaque de la paroi provoque une forte évaporation locale par rapport au reste de la surface mouillée par l’heptane.

Étude expérimentale de

l’interaction entre un front de

flamme et un film liquide

combustible déposé sur une paroi

Dans ce dernier chapitre, l’interaction front de flamme/film combustible est étudiée expé-rimentalement. La définition d’un front de flamme prémélangé et les paramètres aérothermo-chimiques, qui sont susceptibles de l’influencer, sont préalablement analysés dans la première section. Le cas de la flamme oblique homogène libre est ensuite présenté en détaillant son effet rétroactif sur l’aérodynamique de l’écoulement qui joue un rôle dans l’interaction. Les deux types de configurations d’interaction (lointaine et proche) qu’il est possible d’obtenir avec le nouveau dispositif expérimental sont introduites. Celles-ci font l’objet des deux dernières sections. La première configuration concerne l’impact global de la présence de la flamme sur le système paroi/film liquide, et la seconde, l’étude plus spécifique de l’interaction front de

5.1 Identification des effets prépondérants sur le front de flamme au cours de l’interaction

5.1 Identification des effets prépondérants sur le front de flamme

au cours de l’interaction

Les configurations d’écoulements réactifs turbulents sont rencontrées dans la plupart des applications industrielles. C’est pourquoi, l’étude de ces écoulements nécessite la compréhen-sion de l’interaction entre la flamme et la turbulence. Mais avant cette étape, une bonne compréhension des processus mis en jeu en régime laminaire est indispensable.

5.1.1 Grandeurs caractéristiques d’une flamme laminaire prémélangée