Mise en ´evidence de l’effet de l’´evaporation

Au cours de l’´etude pr´ec´edente, nous avons isol´e plusieurs indices concernant une

forte ´evaporation du jet rond central par le courant annulaire: sur la Fig. 4.5, la

derni`ere occurrence d’une pr´esence de liquide d’au moins notre temps d’acquisition

(ici 20µs) a lieu `a 40 mm de l’injecteur, soit seulement 8 mm au dessus du maximum

de fluctuation. De mˆeme, la photo Fig. 4.17 montre un cˆone tr`es brillant, mais pas

de nuage de gouttelettes en aval: l’intensit´e diffus´ee d´ecroˆıt tr`es rapidement d`es que

l’on s’´eloigne de l’extr´emit´e du dard liquide.

Le but de cette section est de r´ealiser une cartographie du spray `a partir des

diff´erentes travers´ees du jet avec le thermom`etre. On s’attachera notamment `a identifier

deux r´egions importantes: la r´egion ne contenant que du liquide (cˆone potentiel

liquide), et la r´egion o`u est d´etect´ee au moins une goutte de liquide. Cette derni`ere

r´egion correspond au spray proprement dit (avant que le brouillard de gouttes ne soit

vaporis´e).

4.3.1.1 D´eplacement du capteur sur l’axe du spray.

La Fig. 4.20 pr´esente l’´evolution de la valeur moyenne ainsi que des extrema de

temp´erature sur l’axe du spray avec la distance `a l’injecteur. Tout comme pour la

Fig. 4.5, deux remarques s’imposent: pour des distances sup´erieures `a 27 mm, aucune

pr´esence de liquide n’est d´etect´ee; sur les 2

19

points du fichier source de dur´ee 10 s,

aucun point de mesure n’indique la temp´erature du liquide, ce dernier a donc ´et´e

´evapor´e. On remarque aussi que la temp´erature maximale d´etect´ee sur l’axe du spray

n’atteint jamais la temp´erature d’injection du gaz annulaire: 90 K; cette temp´erature

varie de celle du liquide pr`es de l’injecteur, `a une temp´erature l´eg`erement inf´erieure

`a celle du gaz au repos dans l’enceinte exp´erimentale: 30 K. Ce r´esultat implique

que l’´evaporation a lieu d`es une courte distance depuis l’injecteur, le long du dard

0 10 20 30 40 50 x (mm)

0

8

16

24

32

T (K)

T

max

T

min

<T>

0 10 20 30 40 50 x (mm)

0

0.04

0.08

I

Fig. 4.20 – Variations des extrema de temp´erature, de la temp´erature moyenne et de

l’intensit´e de fluctuations sur l’axe en fonction de la distance `a l’injecteur

de liquide. Le gaz, en vaporisant des gouttes de liquide, se refroidit. Lorsqu’au del`a

du dard liquide ce dernier est dispers´e et que des incursions de gaz sur l’axe sont

possibles, ce gaz a d´ej`a c´ed´e son exc`es d’enthalpie.

Fig. 4.21, on trace l’´evolution du taux de pr´esence de liquide (TPL) sur l’axe du

spray avec la distance `a l’injecteur; conform´ement aux indications donn´ees par les

photographies, la proportion de liquide d´ecroˆıt d’abord lentement (jusqu’`a 13 mm)

puis tr`es rapidement.

4.3.1.2 Travers´ees du spray `a diff´erentes distances de l’injecteur.

Les trois travers´ees du spray (cf. Fig. 4.22) permettent de suivre l’´evolution de

la temp´erature maximale d´etect´ee `a l’int´erieur d’une de ces travers´ees, en fonction

10 x (mm) 0.01

0.1 1 TPL

Fig. 4.21 – Evolution du taux de pr´esence de liquide sur l’axe du spray avec la distance `^´ a

l’injecteur

de la distance `a l’injecteur. A mesure que l’on s’´eloigne de l’injecteur, la temp´erature

maximale d´etect´ee sur une travers´ee diminue, `a 23 mm le gaz annulaire s’est suffisamment

refroidi pour ne plus ˆetre distingu´e du gaz ambiant de la chambre exp´erimentale. Ce

refroidissement du gaz rapide est un ph´enom`ene complexe dans la mesure ou l’´echange

thermique ne se fait pas seulement avec le liquide mais aussi avec le gaz ambiant. La

temp´erature de ce gaz `a l’arrˆet est elle mˆeme fonction des d´ebits liquides et gazeux

inject´es ainsi que de la temp´erature d’injection du gaz annulaire.

4.3.1.3 Cartographie du spray.

on peut maintenant rassembler les informations contenues dans les Fig. 4.20 et

Fig. 4.22 afin de construire une cartographie du spray.

On s’int´eresse d’abord au dard liquide c’est `a dire la r´egion o`u la temp´erature la

plus haute d´etect´ee est celle du liquide, les points noirs de la Fig. 4.23, extraits des

figures Fig. 4.22 et Fig. 4.20 correspondent aux fronti`eres de cette r´egion.

On peut aussi rechercher l’extension du brouillard de liquide. On appelle brouillard

la r´egion o`u, `a l’int´erieur d’un fichier source, on d´etecte au moins un ´ev´enement `a la

temp´erature du liquide: la temp´erature minimale du fichier source est celle du liquide.

les carr´es de laFig. 4.23, extraits des figures pr´ec´edentes correspondent aux fronti`eres

de cette r´egion.

Enfin on porte le point correspondant au maximum de fluctuation de temp´erature

sur l’axe du spray, lequel marque l’extr´emit´e du dard liquide.

On voit distinctement que tout le liquide est vaporis´e `a tr`es courte distance de ce

que l’on a d´efini comme le dard liquide, cette distance est de l’ordre d’un diam`etre

0 2 4 6 8 10 r (mm)

4

18

32

46

T (K)

T

max

T

min

<T>

0 2 4 6 8 10 r (mm)

4

22

40

58

T (K)

0 2 4 6 8 10 r (mm)

4

22

40

58

76

T (K)

Fig. 4.22 – Variations des extrema de temp´erature et de la temp´erature moyenne sur

des travers´ees du spray, `a diff´erentes distances de l’injecteur: de haut en bas, x=23 mm,

x=12 mm, x=4.7 mm.

d’injecteur. Cette morphologie du spray explique que les r´esultats obtenus avec le

thermom`etre concernant la longueur de dard liquide aient ´et´e faciles `a comparer aux

mesures optiques: la distance `a l’injecteur pour le maximum de fluctuation est proche

de la distance `a laquelle est d´etect´ee la derni`ere goutte de liquide.

4.3.1.4 Conclusion.

Nous avons mis en ´evidence une ´evaporation du liquide par le courant annulaire.

Cette ´evaporation est d’une part tr`es importante, puisque la totalit´e du liquide est

vaporis´e, mais aussi tr`es rapide: le brouillard de gouttelettes est compl`etement ´evapor´e

`a une distance d’un diam`etre d’injecteur du dard liquide. La question de l’interaction

entre cette vaporisation et l’atomisation reste pos´ee.

injecteur

brouillard de

gouttelettes

maximum de

fluctuations

zone uniquement

liquide

traversée à 23mm

traversée à 12mm

traversée à 4.7mm

déplacement sur l'axe

Fig. 4.23 – Reconstruction des diff´erentes r´egions du spray `a partir de Fig. 4.22 et

Fig. 4.20. Les symboles repr´esentent les points de mesure. Le dessin reproduit les distances

relatives.

Dans le document Atomisation et évaporation dans un jet mixte hélium liquide / hélium gazeux (Page 69-73)