L’injecteur

Des ´etudes ont montr´e l’importance de la g´eom´etrie de l’injecteur sur le d´eveloppement

du spray [69]. Les param`etres importants sont alors le rapport des diam`etres [15]

β =

D₂

D₁

et la pr´esence d’un ´eventuel retrait entre l’injecteur de liquide et celui

de gaz[11]. L’injecteur que nous avons utilis´e (cf.Fig. 2.3) a un β de 1.33 et n’a

pas de retrait. Nous avons conserv´e cette g´eom´etrie pour toutes les exp´eriences. Un

autre point tr`es important est la forme des profils de vitesse `a l’injection [32]. Dans

notre configuration, la longueur du tube d’amen´ee (80*D

1

) assure des conditions de

turbulence de tube d´evelopp´ee `a la sortie de l’injecteur( profil de vitesse non plat).

Le diffuseur de demi angle 6

◦

accentue le profil de vitesse en cloche en ralentissant

le fluide le long des parois, il permet aussi de r´eduire l’´epaisseur de mati`ere en bout

de tube et donc de r´eduire le sillage qui r´esulte de cette marche. Le fort taux de

contraction de l’injecteur de gaz permet de relaminariser ce dernier. Cet injecteur est

échangeur

azote liquide

77K

compresseur

hélium liquide

500l

hélium

sous pression

échangeur à

eau (293K)

électro-vannes

diaphragme

de mesure de débit total

diaphragme de

mesure de

débit gazeux

réservoirs d'hélium

gazeux du laboratoire

Fig. 2.2 –sch´ema de la circulation des fluides exp´erimentaux

r´ealis´e en nylon de fa¸con `a minimiser les ´echanges thermiques entre le liquide et le

gaz avant l’injection; on estime le flux de chaleur entre le gaz et le liquide:

˙

Q

gaz→liq

=

2πh

⁸⁰

R

4.2

K

nylon

dT

ln(

^Dinj Dinj−e

) ≈1watt

e est l’´epaisseur de l’injecteur central, D

inj

son diam`etre . Cet injecteur est compos´e

de deux pi`eces de nylon emboit´ees. La longueur de guidage ainsi que la but´ee assurent

la coaxialit´e du montage.

divergent angle 6° 6,7 18 21,9 5 16,5 18 3,5 10,0 10 18 14 8 trous diamètre 2 sur diamètre 14

matiere: nylon noir

4,75 16

14

convergent angle 28°

3

D´eveloppement d’une thermom`etrie rapide

3.1 Introduction.

3.1.1 Principe.

La premi`ere mesure envisag´ee pour l’´etude du m´elange h´elium liquide/h´elium

gazeux a ´et´e une mesure locale de temp´erature. L’h´elium gazeux est inject´e `a 80 K

tandis que la temp´erature du liquide `a pression ambiante est de 4.2 K. La temp´erature

est un marqueur: toute structure de temp´erature ´egale `a 4.2 K est consid´er´ee comme

du liquide ( ce qui n’est pas strictement vrai, le gaz pouvant ˆetre `a la temp´erature

de saturation). Nous enregistrons les variations de temp´erature d’un certain volume

de mesure au cours du temps. Une temp´erature comprise entre celle du liquide et

celle du gaz indique un certain ´etat de m´elange tandis que les fluctuations fournissent

des informations sur l’intensit´e du m´elange. L’int´erˆet de cette m´ethode est la grande

vari´et´e de traitements envisageables `a partir du fichier source: un tableau de 5.10

5

points de mesure ´echantillonn´es toutes les microsecondes. On peut en effet s’int´eresser

`a la valeur moyenne de la temp´erature sur ce fichier, mais aussi aux moments d’ordre

sup´erieurs c’est `a dire `a la forme de la distribution de temp´erature dans ce fichier. On

a aussi acc`es `a la dynamique du ph´enom`ene: on peut calculer le spectre de puissance

du signal, la distribution des vitesses de variations de temp´erature..

3.1.2 Performances n´ecessaires.

Tout d’abord le thermom`etre doit avoir une bonne sensibilit´e dans la gamme

mesur´ee. Ce point est particuli`erement critique autour de 4 K pour distinguer clairement

le liquide du gaz quand ce dernier est proche de la temp´erature de saturation. Par

exemple, le platine, habituellement utilis´e est un mauvais candidat, sa r´esistivit´e ne

variant plus en dessous de 30 K.

D’autre part, on l’a vu au chapitre 1, la formation d’un spray `a haut nombre

de Weber conduit `a une distribution de taille de gouttes tr`es large. Le diam`etre

minimal de gouttes attendu (cf. chap1) dans notre exp´erience est typiquement d’une

dizaine de microns. L’´etude du spray passe par la d´etermination de l’ensemble de

cette distribution, aussi nous faut il disposer d’un d´etecteur r´esolvant les ´echelles

microniques. La r´esolution spatiale transverse `a l’´ecoulement est simplement donn´ee

par la taille du capteur. La r´esolution dans le sens de l’ ´ecoulement est d´etermin´ee

`a l’aide de l’hypoth`ese de Taylor: les fluctuations de vitesse de la turbulence sont

suppos´ees d’amplitude faible devant la vitesse moyenne de l’´ecoulement, les structures

turbulentes sont alors dites gel´ees, advect´ees par l’´ecoulement moyen (de vitesse

moyenne: hVi). Il est possible d’´etablir une correspondance entre les fluctuations

temporelles et les fluctuations spatiales:

V(x+r, t)−V(x, t) = V(x, t− ^r

hVi^{)−V(x, t)}

l’extension longitudinale du volume de mesure est donc ´egale `a la vitesse moyenne

de l’´ecoulement divis´ee par la r´esolution temporelle de la mesure. Pour des vitesses de

l’ordre du m/s, la d´etection de structures microniques impose des temps de r´eponse du

capteur et de toute la chaˆıne de mesure de l’ordre de la micro-seconde. Il faut limiter

l’inertie thermique du capteur, donc limiter sa masse. On peut donner un ordre de

grandeur de la masse acceptable par des consid´erations sur les ´echanges d’enthalpie

entre le capteur et la goutte d’h´elium: Pour que le thermom`etre d´etecte effectivement

le passage d’une goutte de quelques microns, il faut que l’´energie n´ecessaire `a faire

d´ecroitre sa temp´erature depuis celle du gaz (80 K) jusque celle du liquide (4.2 K)

soit inf´erieure `a la chaleur latente disponible dans cette goutte:

m

cap

C

p

∆T < ^π

6^ρ

^liq

^Ld

3

L=20 J/g, ρ

liq

=125 Kg/m

3

[59], pour un m´etal C

p

est de l’ordre de 10 J/kg.K [2],

ce qui conduit `a une masse de 7.10

−12

kg, soit un volume d’une centaine de

microns-cube.

Dans le document Atomisation et évaporation dans un jet mixte hélium liquide / hélium gazeux (Page 32-37)