Au vu des ´el´ements de bibliographie, un manque existe au niveau du devenir de la masse liquide non ´epluch´ee. Comme nous l’avons vu, seulement 30% du d´ebit liquide entrant est transform´e en gouttes par le biais de l’´epluchage. Il n’y a pas de donn´ees ni de sc´enarios pour la suite des ´ev´enements, ou du moins pour la suite de la fragmentation du jet liquide connexe r´esultant de l’´epluchage.
Il a ´et´e observ´e par plusieurs ´etudes sur l’atomisation assist´ee que des structures caract´eristiques de d´eplacement large ´echelle du jet liquide apparaissaient, justement sur le jet r´esultant apr`es ´epluchage. Il semble que le flapping ait un rˆole `a jouer dans la fragmentation de cette colonne liquide. Ce lien a ´et´e mis en ´evidence dans le cas des nappes liquides de par l’existence de corr´elations reliant la taille des gouttes `a la fr´equence de battement de nappes liquides. Ce point est `a v´erifier pour la configuration coaxiale.
Une cartographie de la pr´esence du flapping avec les param`etres de contrˆole est ainsi n´ecessaire. Il est important de caract´eriser les diff´erents types de flapping, associ´es `a diff´erents types de brisure qui
1.5. OBJECTIFS ET PLAN DE L’ ´ETUDE 49 en pr´esentent les caract´eristiques. D’autre part, des lois d’´echelles sur la fr´equence de battement de nappes exp´erimentales et num´eriques motivent cette ´etude : l’objectif est de v´erifier si ces lois d’´echelle sont pertinentes pour la fr´equence de d´eplacement du jet liquide dans la configuration axisym´etrique. Ces lois d’´echelle faisant intervenir des d´ependances `a la g´eom´etrie ainsi que pour certaines `a l’´epaisseur de vorticit´e gaz, il nous a donc paru judicieux de r´ealiser une ´etude param´etrique sur la g´eom´etrie, avec pour objectif de varier sensiblement l’´epaisseur de cette couche de vorticit´e gaz, du moins par rapport `a la configuration d’injecteur de la th`ese de P. Marmottant 2001 [57]. Un injecteur respectant ce cahier des charges a donc ´et´e con¸cu et r´ealis´e dans ce sens.
L’instabilit´e de flapping demande ´egalement a ˆetre caract´eris´ee. Le lien avec l’instabilit´e de cisaille-ment est `a pr´eciser, tout comme sa longueur d’onde et son caract`ere ondulatoire. L’effet de l’´epaisseur de vorticit´e est ´egalement `a pr´eciser, une ´etude num´erique sur une nappe liquide 2D (Couderc 2007 [17]) l’ayant montr´e. Les diff´erences du flapping de nappe et du flapping de jet coaxial sont `a pr´eciser, si elles existent.
D’autre part, l’effet du flapping sur la structure du jet n’a pas ´et´e ´etudi´ee. La topologie de l’´ecoulement ´etant tr`es diff´erente lorsque cette instabilit´e est pr´esente, la structure du jet en est tr`es certainement affect´ee, il est n´ecessaire de le v´erifier. L’impact sur la taille de goutte produite in fine est ´egalement `a ´etudier, via la brisure des structures que cette instabilit´e produit. Ces donn´ees de structure du jet pourront ´egalement alimenter un mod`ele de fragmentation des structures produites par le flapping.
Une g´eom´etrie d’injecteur coaxiale permettant de faire varier discr`etement les ´epaisseurs gaz HG et diam`etre liquideHLest r´ealis´e. La plage de variation des param`etres g´eom´etriques est voulue pour ˆetre la plus grande possible tout en respectant les contraintes des dispositifs d’alimentation et de mesure pr´esent au laboratoire. Un sch´ema d´ecrivant ces grandeurs est propos´e sur la figure 1.31 ci-apr`es :
Figure 1.31 – Sch´ema de l’injecteur et grandeurs g´eom´etriques principales.
L’´epaisseur de l`evre a ´et´e prise ´egale `a 0,2 mm pour tous les injecteurs, qui ne pr´esentent aucun retrait du pitot central par rapport au tube d’injection gaz. Cette ´epaisseur de l`evre est au minimum de la mˆeme taille que l’´epaisseur de vorticit´e comme il le sera montr´e en chapitre 2 et les donn´ees pourront ˆetre compar´ees sans corriger de l’effet de l’´epaisseur de l`evre.
Les g´eom´etries ´etudi´ees sont d´ecrites dans le tableau suivant :
HL 5 mm 8 mm 15 mm 20 mm HG (mm)/DG (mm) 2 / 9 1.6 (HG) 4.3 / 23.6 1.8 / 23.6 HG (mm)/DG (mm) 5 / 15 3.4 (HG) 5 / 30 HG (mm)/DG (mm) 9.3 / 23.6 7.4 (HG) 24 / 68 HG (mm)/DG (mm) 12.5 / 30
Figure 1.32 – G´eom´etries ´etudi´ees dans ce m´emoire. HG d´esigne l’´epaisseur de la couronne gaz et HLd´esigne le diam`etre liquide.
La vitesse gaz a ´et´e vari´ee de 13 `a 170 m/s, la limite basse correspondant `a l’apparition de vagues de l’instabilit´e de cisaillement et la limite haute correspondant soit aux limitations de l’exp´erience, soit `
50 CHAPITRE 1. CONTEXTE ET ´ETAT DE L’ART basse ´etant limit´ee par l’affinement du jet, l’´ecoulement liquide n’´etant plus parall`ele `a l’´ecoulement gaz. La limite haute est impos´ee par le dispositif exp´erimental. La brisure du jet liquide par injection haute vitesse n’est pas ´etudi´ee ici.
L’objectif principal de la th`ese est de d´ecrire l’effet du d´eplacement radial du jet ou flapping sur les grandeurs caract´eristiques du jet. A cette fin, le chapitre 2 d´ecrira les moyens exp´erimentaux mis en oeuvre pour r´ealiser l’´ecoulement diphasique et d´ecrira les moyens de mesure, de quantification et de validation de l’exp´erience.
Afin de justifier qualitativement la pertinence de l’approche, un chapitre de pr´esentation de l’´ecoulement diphasique est propos´e. Ce chapitre mettra en ´evidence la pr´esence du flapping et iden-tifiera les r´egimes de brisure du jet pour diff´erentes valeurs des param`etres de contrˆole.
Le chapitre 4 sera consacr´e `a la structure du jet et plus particuli`erement aux grandeurs ca-ract´eristiques du jet. Ce chapitre mettra en ´evidence le rˆole pr´epond´erant du flapping dans la struc-turation du jet.
Le chapitre 5 donnera les caract´eristiques principales du flapping comme sa fr´equence, son am-plitude et sa longueur d’onde, pour deux r´egimes de comportements d´ependants de la g´eom´etrie diff´erents. Les origines du flapping et le lien avec le mode de l’instabilit´e de cisaillement seront dis-cut´ees pour un r´egime de comportement et donc une classe de g´eom´etrie. Plus pr´ecis´ement, nous montrerons ´egalement que le flapping est une amplification non lin´eaire d’une perturbation liquide non axisym´etrique et que sa description rel`eve de la prise en compte de la forme de la perturbation. Une analyse de stabilit´e lin´eaire confirmera nos hypoth`eses.
Le chapitre 6 d´ecrira le spray obtenu fonction des param`etres g´eom´etriques et l’effet du d´eplacement radial sur la granulom´etrie.
Chapitre 2
Moyens exp´erimentaux
Afin de r´epondre aux objectifs de l’´etude pr´esent´ee, un ´ecoulement diphasique coaxial cisaill´e a ´et´e r´ealis´e. Un injecteur coaxial existait d´ej`a au LEGI (injecteur n°1) avant le d´ebut de cette th`ese et avait ´et´e ´etudi´e lors de la th`ese de Philippe Marmottant [57] et de Moongueun Hong [36]. La loi d’´echelle propos´ee dans la th`ese de Couderc ([17]) incluant des param`etres de g´eom´etrie et d’´epaisseur de vorticit´e, un injecteur (injecteur n°2) permettant de v´erifier cette loi a ´et´e dessin´e afin de pouvoir varier facilement les dimensions g´eom´etriques d’injection sans perturber l’´ecoulement produit en sortie d’injecteur. La structure de cet injecteur sera pr´esent´ee ainsi que les techniques de mesure, d’acqui-sition et de traitement des images. En dernier lieu, une partie validation de l’exp´erience donnera des informations quantitatives sur l’´ecoulement, notamment les profils de vitesse, de taux de turbulence et les ´epaisseurs de vorticit´e.
52 CHAPITRE 2. MOYENS EXP ´ERIMENTAUX
2.1 Description de l’injecteur
Dans le but de v´erifier la loi d’´echelle propos´ee dans la th`ese de Couderc 2007 [17], un injecteur poss´edant une ´epaisseur de vorticit´e plus importante que l’injecteur historique du LEGI (injecteur n°1) a ´et´e con¸cu. Ceci conduit `a r´ealiser un injecteur d’une hauteur de l’ordre de 1 m`etre. Une ´etude param´etrique sur les param`etres g´eom´etriques ´etant souhait´ee, cet injecteur est modulable et permet de modifier facilement les dimensions des sorties gaz et liquides de l’injecteur. Un sch´ema du syst`eme d’injection r´ealis´e sans respecter les proportions du syst`eme r´eel, est pr´esent´e ci-apr`es :
Air Eau Air Partie fixe Partie interchangeable Cylindre PVC de réduction de section ~1m HL HG DG Nid d'abeille
Figure 2.1 – Sch´ema global de l’exp´erience d’atomisation assist´ee coaxiale. L’injecteur liquide repr´esent´e est du type de celui de diam`etre liquide ´egal `a 15 et 20 mm. Le tube liquide de diam`etre ´egal `a 5 mm ne pr´esente pas de divergent en sortie. Les plans d´etaill´es des injecteurs sont donn´es en annexe K.
Le sch´ema de l’injecteur pr´esent´e en figure 2.1 montre la disposition globale de l’injecteur, en deux parties de longueur ´equivalente, l’une fixe et l’autre interchangeable. La partie fixe sert `a fabriquer un ´ecoulement gaz parall`ele `a l’axe d’injection, avec un taux de turbulence le plus faible possible, r´eduit `a l’aide d’une chambre de tranquillisation compos´ee de trois couches successives de nid d’abeille s´epar´ees par des bagues. La partie qui contient les nid d’abeille est d’un diam`etre plus large, afin qu’avec les bagues le diam`etre d’injection gaz soit maintenu constant. La partie interchangeable permet de modifier la g´eom´etrie de l’injecteur `a la sortie tout en conservant une bonne qualit´e d’´ecoulement liquide et gaz. La conservation de qualit´e de l’´ecoulement gaz a prim´e sur la qualit´e de l’´ecoulement liquide. Ceci `a conduit `a r´ealiser un divergent `a la sortie de l’injecteur liquide pour la g´eom´etrieHL 15 et 20 mm. Afin d’empˆecher le pitot liquide de vibrer ce qui n’est pas d´esir´e dans le cadre des objectifs de notre ´etude, le pitot liquide est maintenu solidaire du tube d’injection gaz par l’interm´ediaire de trois boucles de fils d’acier de 0,2 mm de diam`etre, comme indiqu´e dans le sch´ema de la figure 2.2. Ces boucles sont ensuites tendues sur le support de maintien des tubes de r´eduction de section gaz. Pour l’injecteur ´etudi´e qui n’a pas de r´eduction de section (injecteur n°2HL = 20 mmHG = 24 mm), une bague profil´ee `a trois ailettes (profils NACA 0015) a ´et´e r´ealis´ee `a l’aide d’une imprimante 3D.
2.1. DESCRIPTION DE L’INJECTEUR 53
HG
Fils d'acier de 0,2
mm de diamètre Tube liquide
Vers système de mise en tension
Réducteur de section gaz
Figure 2.2 – Sch´ema du syst`eme d’antivibration du pitot liquide. Les deux degr´es de libert´e hori-zontaux du pitot liquide sont li´es m´ecaniquement au tube gaz par trois boucles de fils d’acier mises en tension `a l’aide de vis nylon non repr´esent´ees, ce qui permet une bonne fixation du pitot sans trop perturber l’´ecoulement gaz. Merci `a Jean-Marc Barnoux pour l’id´ee.
Le centrage du tube liquide s’effectue `a l’aide d’une mesure de l’´epaisseur gaz sur deux direc-tions orthogonales, et `a l’aide de l’´ecoulement diphasique. Le flapping et surtout sa direction de d´eveloppement est sensible au centrage. Une observation au stroboscope permet de v´erifier que les directions de d´eveloppement du flapping sont bien r´eparties angulairement.
Les diff´erentes g´eom´etries ´etudi´ees dans ce manuscrit sont rappel´ees dans le tableau 2.3. HL 5 mm 8 mm 15 mm 20 mm
HG (mm)/DG (mm) 2 / 9 1.6 (HG) 4.3 / 23.6 1.8 / 23.6 HG (mm)/DG (mm) 5 / 15 3.4 (HG) 5 / 30 HG (mm)/DG (mm) 9.3 / 23.6 7.4 (HG) 24 / 68 HG (mm)/DG (mm) 12.5 / 30
Figure2.3 – G´eom´etries ´etudi´ees dans ce m´emoire.HG d´esigne l’´epaisseur de la couronne gaz etHL
d´esigne le diam`etre liquide.
Comme ´ecrit en introduction, le diam`etre liquide a ´et´e vari´e de 5 `a 20 mm (facteur 4), et l’´epaisseur gaz a ´et´e vari´ee de 2 `a 24 mm (facteur10). La vitesse gaz a ´et´e vari´ee de 13 `a 170 m/s et la vitesse liquide de 0,1 `a 1,55 m/s. Le gaz est ici de l’air, en sortie de l’injecteur `a la pression atmosph´erique et `
a la temp´erature ambiante
L’´epaisseur de l`evre des diff´erentes extemit´es de chaque tube liquide a ´et´e fix´ee `a 0,2 mm. L’´epaisseur de cette derni`ere est fix´ee de mani`ere `a ˆetre de dimensions inf´erieure ou de l’ordre de grandeur de l’´epaisseur de la couche de vorticit´e gaz, ce qui dans ce cas ne produit pas d’effet sur l’instabilit´e de cisaillement, comme indiqu´e par Ben Rayana 2007 [7].
54 CHAPITRE 2. MOYENS EXP ´ERIMENTAUX