Etude du spray généré par un injecteur de 2 MW

Le spray étudié dans cette section est issu d’un injecteur industriel Pillard de 2MW dont la géométrie est semblable à celle des injecteurs installés sur les cen-trales thermiques (Fig.6). Dans cet injecteur, le fioul est mis en rotation par un swirler avant d’entrer dans la chambre de mélange de diamètre dmix= 4.9mm à travers une pastille de diamètre df = 3.4mm. La vapeur entre dans la chambre de mélange par 6 trous dont la section de passage totale est As = 8.4mm2. L’injecteur de sortie comprend 6 orifices de diamètre dn = 1.8mm. Dans cette étude, du fioul lourd N˚2 TBTS (Association Technique Energie Environnement et al. (1995)) préchauffé à Tf = 383K est utilisé comme combustible. Le gaz d’atomisation est de l’air à température ambiante.

L’étude du spray généré par cet injecteur (Fig. 5.19) est menée en fonction du GLR pour trois débits massiques de fioul ˙mf ≈ 81, 166 et 210 kg · h−1. Les mesures du diamètre moyen de Sauter des gouttes (SMD) sont réalisées à z = 600mm en aval de l’injecteur à trois positions radiales r = 0, 60 et 75 mm par rapport au centre du spray, par un système Malvern Spraytec (Dodge et al. (1987);Dayal et al. (2004)). Les pressions moyennes dans les lignes d’alimen-tation de fioul et de l’air sont également mesurées (Paubel (2009)).

GLR p^s / p^a tm 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 1 2 4 6 8 10 12 ˙ m_f= 81 kg/h ˙ mf= 166 kg/h ˙ mf= 210 kg/h

Figure 5.20 – Représentation de l’évolution de la pression d’arrêt du gaz d’atomisa-tionpsrapportée à la pression atmosphériquepatmen fonction du GLR pour différents débits de fioul m˙f. Les symboles représentent les mesures. Les traits continus repré-sentent les solutions du modèle HEM (Sec.1.5.1) pour chaque configuration et les poin-tillés représentent les solutions du modèle SPFM (Sec. 1.5.2) pour m˙f = 81kg · h−1.

Analyse de l’évolution de la pression dans les lignes d’alimentation La figure Fig.5.20représente l’évolution du rapport de pression ps/patmen fonc-tion du GLR. Les symboles représentent les mesures pour les trois débits de fioul. Les courbes en traits pleins représentent l’évolution de la pression dans la ligne d’air obtenue à partir du modèle homogène équilibré (HEM ) (Sec.1.5.1). La courbe en pointillés représente l’évolution de la pression du gaz d’atomisa-tion déterminée à partir du modèle SPFM (Sec.1.5.2) lorsque ˙mf = 90kg · h−1. On constate que le modèle SPFM ne permet pas de prévoir correctement l’évo-lution de la pression dans l’injecteur. En revanche, l’évol’évo-lution de la pression du gaz d’atomisation est bien capturée par le modèle HEM, mais avec un niveau plus faible que les mesures car le modèle ne tient pas compte des pertes de charge dans la ligne d’alimentation.

La pression dans les lignes d’alimentation d’un injecteur bi-fluide de 2 MW fonctionnant au fioul lourd et assisté à l’air est correctement calculée par le modèle HEM pour différent débits de combustible lorsque le GLR varie.

Analyse de la topologie de l’écoulement diphasique

L’analyse du régime d’écoulement diphasique dans l’injecteur industriel de 2MW est menée pour les trois débits de combustible lorsque le GLR varie. La carte deMandhane et al. (1974), représentée à la Fig.5.21, est utilisée pour cette étude puisqu’elle fournit de meilleurs résultats que la carte deBaker (1954) d’après l’analyse de la Sec. 5.3.2. La figure Fig. 5.21indique une transition de

jg (m/s) j^l (m / s) Str atifi´e Vagues Bouchons Poches Annulair e ou br ouillar d Bulles GLR ր 10⁻² 10⁻¹ 10⁰ 10¹ 10² 10⁻² 10⁻¹ 10⁰ 10¹ GL R = 0.02 GLR = 0.03

Figure 5.21 – Carte d’écoulement de ^{Mandhane et al. (1974) appliquée à} l’in-jecteur industriel de 2MW pour ˙mf = 81kg · h−1 (), ˙mf = 166kg · h−1 (+) et

˙

mf = 210kg · h−1 (◦) lorsque le GLR varie.

l’écoulement diphasique depuis un écoulement à bouchons vers un écoulement annulaire ou à brouillard pour les trois débits de combustible lorsque le GLR augmente. Le GLRs seuil vaut GLRs= 0.02lorsque ˙mf = 81et 166 kg · h−1 et il vaut GLRs = 0.03 lorsque ˙mf = 210kg · h−1. Il est important de noter que l’écoulement diphasique devient rapidement annulaire pour les GLR > 0.03 ou à brouillard comme dans l’injecteur DIFAV lorsqu’il est opéré avec de la va-peur d’eau. La modélisation de l’écoulement par le modèle HEM semble donc appropriée (Sec.5.3.3).

Analyse du SMD des gouttes

L’évolution du SMD des gouttes mesuré à une distance z = 600 mm de la sortie de l’injecteur pour ˙mf = 81kg · h−1 (), ˙mf = 166kg · h−1 (+) et

˙

m_f = 210kg · h−1 (◦) lorsque le GLR varie est représentée à la Fig. 5.22. Les symboles noirs correspondent aux mesures réalisées au centre du spray r = 0, les symboles rouges aux mesures à r = 60 mm et les symboles bleus aux mesures à r = 75 mm. On constate que le SMD des gouttes est très peu sensible à la position radiale r (couleur) comme nous l’avons observé sur l’injecteur DIFAV à la Sec. 5.2.2 lorsque le GLR > GLRs. Le SMD des gouttes change très peu lorsque le GLR varie pour les trois débits de combustible considérés. Le pla-teau sur la taille des gouttes à SMD ≈ 70 µm semble donc être atteint avec un GLRs ≈ 0.06 supérieur à celui prévu par la carte de Mandhane et al. (1974) à la Fig. 5.21. Le SMD des gouttes est indépendant du débit de combustible

˙

m_f en accord avec les mesures réalisées sur l’injecteur DIFAV à la Sec. 5.5 lorsque le plateau est atteint. La corrélation deLefebvre and Ballal (2010) mo-difiée Eq. (5.5) basée sur la vitesse du mélange homogène est représentée en

GLR D³ 2 (µ m ) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0 50 100 150 200

Figure 5.22 – Représentation du diamètre moyen de Sauter des gouttes D32mesurée àz = 600mm en aval de la buse d’injection, en fonction du GLR pour différents débit de combustible m˙f et positions radiales r.  ˙mf = 81kg · h−1, + ˙mf = 166kg · h−1

et ◦ ˙mf = 210kg · h−1. Les symboles noirs correspondent aux mesures réalisées au centre du spray r = 0, en rouge à r = 60mm et en bleu à r = 75 mm. Les pointillés représentent la corrélation deLefebvre and Ballal (2010)modifiée Eq.(5.5).

pointillés noirs à la Fig. 5.22, avec les mêmes constantes que celles utilisées précédemment (Sec.5.2.3). Seule la constante C est modifiée et elle est ici fixée à C = 41 × 10−6m. Le SMD des gouttes est bien prédit par ce modèle lorsque le GLR varie. La corrélation prédit un GLRs= 0.06 identique à celui observé sur les mesures.

Les mesures réalisées sur le spray d’un injecteur bi-fluide de 2 MW fonction-nant au fioul lourd et assisté à l’air montrent que le SMD des gouttes décroît très lentement avec l’augmentation du GLR sur la gamme de GLR = 0.06 à 0.26. Le SMD des goutes dépend peu du débit de fioul ˙mf, et de la position radiale r dans le spray. La version modifiée de la relation de Lefebvre (1996) Eq. (5.5) basée sur la vitesse du mélange homogène à la sortie de l’injecteur calculée avec le modèle HEM permet de prévoir correctement l’évolution du SMD des gouttes en fonction du GLR qui est observée sur cet injecteur. Ce modèle adapté à l’injecteur DIFAV de 10 kW semble pouvoir être étendu à des injecteurs industriels de 2 MW en modifiant uniquement la constante C du mo-dèle. Les résultats obtenus sur cet injecteur industriel sont en bon accord avec les observations réalisées sur l’injecteur DIFAV.

5.6.2 Estimation de la taille des gouttes sur l’injecteur EDF