Cette étude préliminaire a permis d’étudier l’influence de la taille de la zone des mesures PIV sur les résultats de turbulence obtenus. Pour cela, pour de mêmes essais, trois caméras ont permis de visualiser l’écoulement par PIV avec trois zones de mesure de tailles différentes. De plus, une mesure par LDA, positionnée dans la zone commune aux trois mesures précédentes, a été couplée à ces mesures PIV.
Les données de turbulence obtenues avec le champ zoomé et le champ intermédiaire sont proches. Cependant, les données obtenues avec le champ plus large sont plus faibles, cette dernière mesure permettant d’accéder uniquement à l’énergie contenue dans les tourbillons de dimensions plus importantes. La comparaison avec les données LDA a permis d’observer le même comportement de décroissance de la turbulence avec le temps après la fin de l’injection. Les données avec le champ zoomé sont plus faibles que celles obtenues par LDA d’environ 20%.
Cette étude permet ainsi de choisir, pour les mesures de turbulence par PIV effectuées par la suite, un champ de vue de l’ordre de grandeur du champ intermédiaire étudié ici : 5cm x 7,5cm. En effet, les données obtenues avec le champ zoomé sont proches de celles obtenues avec le champ intermédiaire. Le champ intermédiaire est ainsi un compromis en termes de résultat obtenu et de qualité des images obtenues (vignetting des images obtenues avec l’objectif QUESTAR).
L’étude de la convergence des données de turbulence en fonction du nombre d’essais a été réalisée au cours d’une campagne de 20 essais. Il a été observé que l’intensité de la turbulence ne varie que faiblement au-delà d’environ 8 essais réalisés. Ainsi, pour la suite, les données de turbulence par PIV seront obtenues à partir d’environ 8 essais réalisés : ce nombre étant précisé pour chacune des études.
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III) RESULTATS
Dans cette partie, l’étude de la mise en suspension des particules avant ignition est présentée. Dans un premier temps, quelques généralités sur le phénomène de mise en suspension sont abordées. Par la suite, les résultats de l’étude de la concentration sont exposés. Enfin, la dernière partie se consacre à l’étude de l’évolution de la turbulence au sein de notre prototype.
III.1) LA MISE EN SUSPENSION DES PARTICULES
Pour rappel, l’injection de la poudre est effectuée par décharge d’un réservoir d’air comprimé au travers des cannes d’injection. De plus, un disque de rupture à membrane déformable (type « sac ») est positionné au sommet du prototype. Ce dernier permet de contrôler le volume contenant la poudre au moment de l’ignition, donc la concentration. De plus, cette membrane permet de présenter une faible résistance lors du passage du front de flamme, limitant ainsi l’augmentation de pression au sein du prototype.
Il est important de mesurer le volume du prototype à la fin de l’injection, en prenant en compte cette augmentation de volume due à l’utilisation de la membrane déformable. Cette mesure a été effectuée sur nos essais de manière indirecte. L’évolution de la pression et de la température au sein des réservoirs d’air comprimé a été mesurée pendant la décharge. Au sein du prototype, seule l’évolution de la température a été mesurée, la pression restant à la pression atmosphérique. L’évolution de ces paramètres est affichée sur la Figure 69. A partir de ces données, la variation de volume est calculée en effectuant un bilan de matière:
𝛥𝑉 =𝑇𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜. ( 𝑃𝑓. 𝑉𝑅 𝑇𝑓 − 𝑃0. 𝑉𝑅 𝑇0 ) (B3-1)
Avec 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜 et 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜 la température et la pression (atmosphérique) au sein du prototype
respectivement, 𝑃0 et 𝑃𝑓 les pressions initiales et finales au sein des réservoirs d’air comprimé,
𝑇0 et 𝑇𝑓 les températures initiales et finales au sein des réservoirs, et 𝑉𝑅 le volume des réservoirs. Ainsi, pour chaque configuration (choix de la pression initiale des réservoirs et de la durée d’ouverture des électrovannes), le volume du prototype à la fin de l’injection est calculé, permettant ainsi la détermination de la concentration en particules. Dans l’exemple présenté sur la Figure 69, correspondant à une pression de 2,5 bar et une durée d’injection de 800 ms, la variation de volume est de 2,4 L.
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Figure 69: Evolutions des températures et de la pression lors de l'injection de la poussière
Des essais ont aussi été réalisés afin de déterminer le volume maximum du sac, correspondant au volume au moment de la rupture de ce dernier. Pour ce faire, pour différentes pressions initiales des réservoirs amont, le temps d’injection a été modifié. Ainsi, en calculant le volume du sac théorique lors d’un essai avec le temps d’injection le plus important ne permettant pas la rupture du disque et lors d’un essai avec le temps d’injection le plus faible entraînant la rupture du disque, ce volume a pu être encadré. Les résultats obtenus sont résumés dans le Tableau 5. Ainsi, en prenant les résultats obtenus avec la pression la plus faible permettant d’obtenir la rupture du disque (4 bar), le volume maximal du sac a pu être encadré : entre 5,1 et 5,4 L. Cette partie de l’étude nous a aussi permis de connaître les couples (Pression, temps d’injection) pouvant être utilisés. En effet, afin de contrôler la concentration au moment de l’ignition, il est important de s’assurer que la membrane n’a pas été ouverte préalablement par l’injection de la poudre. Ainsi, par exemple, pour une pression de 5 bar, le temps d’injection maximum est de 400 ms.
Tableau 5: Etude de la variation de volume au sein du prototype en fonction de la configuration expérimentale Pression réservoir (bar) Temps d’injection (s) Rupture de la membrane ? Variation de volume (L) 6 0,4 Oui 6 6 0,3 Non 4,9 5 0,5 Oui 5,6 5 0,4 Non 4,7 4 1 Oui 5,4 4 0,9 Non 5,1
Le Tableau 6 présente l’évolution de la reproductibilité en termes de concentration lors d’essais effectués avec différentes masses initialement présentes dans les tubes d’injection. Tout d’abord, une augmentation de la concentration est observée lorsque la quantité de poussière est augmentée. Les valeurs moyennes et les écart-types ont été calculés à partir de différents essais d’injection réalisés avec les mêmes configurations expérimentales (pression de 2,5 bar et temps d’injection de 800 ms). Pour chacun de ces cas, une faible dispersion des résultats en termes de concentration est observée. Le ratio de l’écart-type divisé par la moyenne étant inférieur à 10%.
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Tableau 6: Reproductibilité en termes de concentration en fonction de la masse initiale
Masse initiale (𝒈/𝒕𝒖𝒃𝒆) Concentration moyenne avec ΔV (𝒈/𝒎𝟑) Ecart-type de la concentration (𝒈/𝒎𝟑) Ratio* 1,5 183 10 5 % 1,7 225 14 6 % 2 273 24 9 % 2,5 361 27 7 %
* Le ratio correspond à l’écart-type de la concentration divisé par la valeur moyenne
La Figure 70 représente l’évolution de la suspension pendant et après le processus de dispersion. Les images ont été obtenues par la méthode de diffusion de Mie, la nappe laser étant positionnée au centre de l'enceinte. Il est important de noter que le temps entre les images sélectionnées n’est pas constant. Le temps indiqué en-dessous des images correspond au temps après le début de l’injection (ouverture de l’électrovanne). Dans un premier temps, les jets issus des cannes d'injection se rencontrent au centre du prototype. Par la suite, la poudre continue à être injectée pendant 800 ms. Enfin, après la fin de l'injection, la suspension paraît plus stationnaire et devenir de plus en plus homogène. Ces observations seront quantifiées dans la suite de cette étude.
Figure 70: Evolution de la dispersion des particules au sein du prototype
Dans la suite, le temps de référence correspondra à la fermeture de l’électrovanne, représentant ainsi la fin de l’injection. En effet, dans les parties suivantes, nous nous intéressons seulement à l’évolution de la suspension, en termes de concentration et de turbulence, après la fin de la mise en suspension. Ces paramètres doivent être caractérisés au moment de l’ignition, qui intervient à un délai fixé après la fin de la mise en suspension.
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III.2) ETUDE DE LA CONCENTRATION (DIFFUSION DE MIE)
Dans cette partie, l'analyse de l'évolution de l'homogénéité de la suspension, en termes de concentration, par la méthode de la diffusion de Mie est présentée. Dans un premier temps, les résultats de l'analyse issus d'un essai sont exposés. Par la suite, les degrés d’homogénéité de la suspension obtenus avec différentes concentrations sont comparés. L'intervalle de concentrations ayant pu être étudié avec cette technique de visualisation est précisé. Enfin, une étude de cette homogénéité avec une configuration d’injection différente est effectuée.