La paroi chauffée



avec ici, m_débit la masse mesurée de liquide durant le tempst_débitde la débitmétrie, et f_inj la fréquence imposée à la piézocéramique et _lla masse volumique du liquide.

Dans le but de contrôler la température du liquide injecté, un serpentin est monté (figure II.7) autour du corps de l’injecteur. De l’eau, dont la température est régulée entre 1°C et 80°C environ par un bain thermostaté, circule dans ce serpentin. Un thermocouple est inséré dans le corps de l’injecteur, permettant de connaître à tout instant la température du fluide juste avant l’orifice d’injection. Enfin, un système de purge va permettre d’éliminer toutes bulles indésirables dans l’injecteur permettant une bonne circulation du fluide dans le corps de ce dernier. L’injecteur muni de tous ses dispositifs annexes est illustré sur la Erreur ! Source du renvoi introuvable.. Cet ensemble permet d’obtenir des gouttes de différents diamètre, vitesse, mais aussi pour différentes température et fréquences d’injection. Cet ensemble de variables donnent un important nombre de degrés de liberté dans les paramètres d’injection du train de gouttes monodisperse, telle que la température d’injection T_injcomme indiqué dans le

tableau II-1. Plage de variation de fréquence Plage de variation de diamètre Plage de variation de vitesse Plage de variation de la température d’injection 6 000 f_inj 30 000Hz 80D₀300µm 7V_i 13 .m s^1 5T_inj 70C tableau II-1 : Plage de variation de l’ensemble des paramètres d’injection des gouttes

L’injecteur est monté sur une rotule, ce qui permet de régler l’angle avec lequel le train de gouttes impactera sur la plaque et ainsi modifier la vitesse normale des gouttes par rapport à la cible chauffée. Ce dispositif est lui-même fixé sur un déplacement automatisé sur deux axes. Celui-ci est utilisé pour déplacer la position de dispositif d’injection avec une précision de l’ordre de 50 µm. Des réglages plus fins, d’une précision de l’ordre 10µm, peuvent être réalisés à l’aide de vis micrométrique disposée sur le support de l’injecteur.

2. La paroi chauffée

La paroi destinée à être chauffée est une cible composée de 99,9% de Nickel, de rayon 25 mm et d’une épaisseur de 0.5 mm. Il faut avant tout un matériau ferromagnétique pour permettre son chauffage par induction électromagnétique. Les trois principaux corps purs qui respectent cette condition sont le fer, le cobalt et le nickel. Le nickel a été choisi pour l’absence de transition de phase dans la gamme des températures étudiées. Les propriétés physiques du Nickel sont données dans le tableau 1.2. Cette cible de nickel est posée sur un support cylindrique en céramique, limitant les pertes de chaleur de la cible par conduction vers le support (figure II.8).

Masse Volumique

Conductivité

thermique ^{Capacité calorifique}

Diffusivité thermique 3 8900 . Ni kg m    _Ni 90.4W m. 1.K1 Cp_Ni 444 .J kg^1.K^1 a_Ni 23.10^6m s². ^1

tableau 1.2 : Propriétés physique du Nickel à T 22C

Les dimensions de la cible ont été déterminées afin de pouvoir réaliser les mesures thermiques souhaitées. L’objectif est de mesurer le flux extrait à la paroi par thermographie infrarouge sur la face de la cible opposée à celle où se produit l’impact des gouttes. L’estimation du flux extrait repose l’hypothèse de l’uniformité de la température dans la plaque dans les deux directions de l’espace, en l’absence d’impacts de gouttes. Cette hypothèse de petit corps est valable lorsque le nombre de Biot (équation(2.4)) est très inférieur à 1 (typiquementBi0.1 ) : Ni h e Bi   (2.4)

oùhest le coefficient de transfert thermique, el’épaisseur de la cible de Nickel et_Nila conductivité thermique du Nickel.

figure II.8 : Illustration du dispositif du support en céramique et de la cible de nickel chauffée sur laquelle impacte le train de gouttes monodisperse

Jet monodisperse Cible en Nickel Support en céramique

Le coefficient de transfert thermique est évalué à 2 1

60 . .

tot

h  W m^ K^ (voir chapitre II). Lorsque le nombre de Biot est égal à 0,1, l’hypothèse de petit corps est alors valable pour des épaisseurs inférieures à : 0,1 90, 4 15, 6 60 Ni tot Bi e cm h     

La cible de nickel, d’une épaisseur de 0,5 mm, peut donc être considérée de température uniforme dans son épaisseur. Le temps caractéristique de la diffusion thermique dans la cible peut être estimé par ^²

Ni

e

a ^{temps qu’il faut comparer avec le temps entre chaque impact de}

gouttes, à savoir l’inverse de la fréquence d’arrivée des gouttes f_inj :

4 6 ² (5.10 )² 10 000 109 23.10 inj Ni e f a     (2.5)

Autrement dit le temps caractéristique de conduction de la chaleur est 100 fois plus grand que le temps caractéristique des impacts, ce qui implique que l’ensemble des gouttes arrivent sur la paroi dans les mêmes conditions thermiques.

D’autre part, le chauffage par induction étant rapide, les contraintes thermiques subis par la cible de nickel sont importantes, ce qui peut induire une déformation de cette cible. Pour cela, une épaisseur minimale de 0,5 mm a été choisie. Cependant, il s’avère nécessaire de renouveler fréquemment la cible : en effet, celle-ci se déforme mais aussi s’érode du fait des impacts successifs de gouttes à haute fréquence. Ainsi, une grande quantité de cibles de nickel a été fabriquée afin de les interchanger de manière fréquente.

De plus, ces cibles nécessitent un traitement de surface minutieux, dans la mesure où leur émissivité ainsi que leur rugosité doivent être strictement contrôlées. Pour cela, une couche d’oxyde est créée au préalable sur la surface de la cible (figure II.9), couche qui est formée par un chauffage de cette dernière à des températures supérieures à 600°C. En effet, au-delà de cette température, une couche d’oxyde de Nickel (Ni-O) se forme de manière stable. Cette couche d’oxyde permet l’obtention d’une émissivité uniforme et reproductible sur l’ensemble de la cible.

figure II.9 : Vue microscopique de l’échantillon et de sa couche d’oxyde, réalisée par microscopie optique à lumière

polarisée, d’après la thèse de Lelong [59]

Les dispositifs de mesure étant fixes et préalablement alignés, le train de gouttes monodisperse intercepte en quasi-permanence le même point d’impact au centre de la cible de nickel, ce qui induit une érosion rapide de la surface de celle-ci. Ceci peut alors entrainer une modification des conditions dynamiques de l’impact. De plus, comme explicité précédemment, du fait des contraintes thermiques élevées, il apparait de manière progressive une déformation de la cible, rendant par la suite cette dernière inutilisable.

figure II.10 : Dispositif de polissage utilisé afin d’obtenir un état de surface lisse (Presi

Minitech 265).

Lorsque la déformation de la cible de nickel reste faible, il est possible de réduire très fortement la rugosité de la surface de la cette dernière par polissage (machine Presi Minitech 265), assurant un état de surface quasi-lisse. Grâce aux multiples abrasifs de granulométrie décroissante, le dernier abrasif consistant en de la poudre d’alumine de 10 Å, il est possible de maitriser la rugosité de manière précise. Ainsi, les conditions opératoires seront fixées avec une rugosité dont le paramètre R_aest très inférieur au diamètre des gouttes, R_a étant la moyenne des rugosités de la paroi sur l’ensemble de la surface.