Lieux de rupture

La projection des lieux de rupture des gouttes est reportée pour les 3 systèmes sur la Figure 3.27 dans un demi-plan de coupe de la conduite, sur une longueur de 90mm en aval de l’orifice. Ces graphes regroupent l’ensemble des vitesses étudiées pour chaque système dans le cas β=1/2. Notons que dans cette représentation, seule la coordonnée axiale est exacte, la coordonnée transverse étant toujours inférieure ou égale à la coordonnée radiale réelle.

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 Restriction Système A Système B Paroi Axe β=1/2 (a) -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 Système C β=1/2 Axe Paroi (b)

Figure 3.27 : Lieux de rupture en aval de l’orifice pour les systèmes A, B et C (β=1/2).

Malgré cette limitation, ces graphes nous indiquent clairement les zones d’exclusion de la rupture et celles ou celle-ci est privilégiée. Lors de la rupture des gouttes d’huile dans l’eau (systèmes A et B), on constate qu’il existe deux zones de rupture clairement définies.

La première zone est située en frontière du jet, immédiatement après l’orifice (X<30mm). Compte tenu de la géométrie supposée de l’écoulement dans cette zone, les coordonnées transverses des lieux de rupture voisines de la coordonnée radiale du plateau (ro=7.5mm) sont sans doute proches de la vraie coordonnée radiale. On constate alors que le

lieu des points de rupture dans cette zone décrit un cône retourné dont la pointe est située à l’entrée de l’orifice près du bord. Il paraît d’ailleurs naturel de rapprocher la forme de ce cône à celle du développement d’une zone de mélange turbulent. Au cœur du jet, la rupture est absente, de même que dans la zone de recirculation sur les bords du plateau.

La deuxième zone de rupture se situe en aval de l’orifice, de la cote X=30mm jusqu’à

X=80mm et décrit une zone beaucoup plus étendue suivant la coordonnée transverse. Dû à

l’incertitude sur la position radiale de ces points, il est a priori difficile de conclure sur la répartition radiale de la rupture. Cependant, si l’on admet une répartition équiprobable des

différent des deux cas précédents (Figure 3.27b). La première zone de rupture en frontière du jet à proximité de l’orifice a quasiment disparu. La rupture est pratiquement absente dans ce cas dans l’intégralité du volume situé en dessous de la cote X=20mm. Par ailleurs, dans la zone supérieure, le maximum de densité s’est légèrement déplacé vers la droite (r>7.5mm) et un déficit de rupture apparaît dans la partie axiale de la conduite.

La représentation de la fonction de répartition de la probabilité de rupture en fonction de la distance axiale à l’orifice illustre clairement cet effet retard de la rupture dans le mélange eau-glycérol (Figure 3.28). L’absence de rupture dans la partie basse de la conduite se traduit par un décalage entre l’évolution de ces fonctions pour les systèmes A et B (qui sont confondues) et celle du système C.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 20 40 60 80 100 Position axiale Fonction de répartition des ruptures Système A Système B Système C

Figure 3.28 : Répartition des lieux de rupture en fonction de la position axiale X en aval de l’orifice.

Ces différences de comportement entre les deux systèmes suggèrent en premier lieu un effet du nombre de Reynolds dans la conduite, dont dépend la structure du champ hydrodynamique en aval de l’orifice. La répartition des lieux de rupture en aval de l’orifice laisse également entrevoir de fortes inhomogénéités spatiales dans l’écoulement. Compte tenu de ces hétérogénéités et de leur dépendance probable avec le nombre de Reynolds, il est d’ores et déjà surprenant de constater que la probabilité de rupture globale est sensiblement la même pour les 3 systèmes, à un Weber global donné. D’autre part, ces résultats sont compatibles avec l’évolution de la dynamique propre de la goutte avec l’augmentation de la viscosité de la phase continue, évoquée en début de section. Dans le cas du mélange eau- glycérol, le temps d’amortissement d’une déformation étant plus court que dans l’eau et du même ordre de grandeur que la fréquence propre d’oscillation, on peut envisager que les déformations subies dans la région proche de l’orifice soient amorties, limitant ainsi la rupture dans cette zone, et la reportant de fait plus loin dans l’écoulement.

3.3 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons décrit la rupture des gouttes à l’échelle d’un volume fini en aval de la restriction, pour une plage étendue de conditions opératoires. Les grandeurs statistiques mesurées, la probabilité de rupture, le nombre de fragments moyen et le diamètre moyen des gouttes-filles, évoluent de façon monotone en fonction d’un nombre de Weber global basé sur la perte de charge maximale à travers l’orifice. L’augmentation de la viscosité de la phase continue modifie légèrement le processus de fragmentation et ne change que très peu l’évolution de la probabilité de rupture globale en fonction du Weber. On peut conclure de cette étude que, dans la limite de géométries de restriction similaires, la perte de charge maximale à travers l’orifice permet de convenablement modéliser le phénomène de rupture, en accord avec les expériences passées de Percy et Sleicher (1983). Cependant, l’étude des lieux de rupture a mis en valeur d’une part l’inhomogénéité spatiale de la rupture en aval de l’orifice, et d’autre part des différences de comportement significatives suivant la viscosité de la phase continue. A l’échelle locale, les mécanismes de rupture semblent donc très dépendants de la structure locale de l’écoulement et en conséquence, du nombre de Reynolds dans la conduite. Dans le but d’apporter des éléments de réponse à ces observations, une étude des mécanismes de rupture à l’échelle de la goutte a été entreprise dans les chapitres suivants. Dans un premier temps, le champ hydrodynamique local en aval de la restriction a été caractérisé à l’aide de la PIV rapide puis le champ local du nombre de Weber vu” par les gouttes a été identifié.