Régimes de désintégration

Désintégration de Rayleigh (zone a): La désintégration de Rayleigh apparaît pour des nombres de Reynolds (Re0) trop bas (Figs I-1, I-2, I-3); c’est à dire pour des vitesses d’injection faibles

(Fig. I-4a). Dans la désintégration de Rayleigh, la veine liquide se rompe en grosses gouttes (Fig. I-5a).

Rayleigh [RAY78] en comparant les énergies de surface de deux interfaces liquides, une perturbée et une non-perturbée, remarquait que les perturbations infinitésimales de l'interface liquide provoquent des vibrations dont la fréquence peut croître. Ceci est dû à une interaction

Figure I-4: Mécanismes de désintégration du spray contre la vitesse d’injection [LEF89].

Figure I-5: Mécanismes de désintégration du spray et les dimensions caractéristiques

entre les forces convectives de l’air et les forces de tension superficielle du liquide. Par les stimulations de différentes fréquences, une augmentation de la longueur d’onde de l’interface oscillante renforce les déformations axisymétriques et mène finalement vers la désintégration de la veine liquide. Eifler [EIF90] a remarqué que la désintégration de Rayleigh est produite quand les forces d'inertie de l'air environnant atteignent approximativement 10% de la force de la tension superficielle.

Selon l'analyse linéaire de Rayleigh, la grande croissance de la longueur d’onde (λ>πd0) peut produire des gouttes dont le diamètre est de l'ordre de dgo=1,89d0. Rayleigh n'avait pas pris en compte les viscosités du liquide et de l'air environnant. Weber [WEB31] a montré que la longueur d'onde de la désintégration et la taille des gouttes augmentent avec la croissance de la viscosité. Weber a pu aussi démontrer que la longueur d’onde de la désintégration décroît avec l’augmentation de la résistance de l’air extérieur (de la masse volumique du gaz).

La théorie linéaire de Rayleigh n'est pas adéquate pour expliquer la désintégration du liquide sortant d'un trou. Grabitz et Meier [GRA83] ont introduit les effets non linéaires, à travers quoi Klöpper et Grabitz [KLÖ87] ont pu décrire la désintégration du liquide sans considération de la tension superficielle.

Désintégration induite par le vent de type 1 (zone b): La désintégration induite par le vent de type 1 est atteinte en augmentant progressive la vitesse d'injection du liquide (Figs I-4, I-5: zone b). Avec des vitesses relatives élevées du liquide par rapport à l'air extérieur, les effets aérodynamiques deviennent de plus en plus influents. Les perturbations de la surface liquide, décrites dans le régime de Rayleigh, sont maintenant amplifiées par les modifications locales de la pression de l’air environnant qui deviennent plus importante dans les ventres. Dans ce cas la masse volumique du gaz joue un rôle crucial.

Par conséquent, la transition de la désintégration de Rayleigh à la désintégration induite par le vent (type 1) dépend de la masse volumique du gaz (ρg) à travers du nombre de Weber Weg>0,4 (Fig. I-2). La désintégration, se produisant à une distance Lno de l'injecteur, est due au

mouvement instable du liquide entier. D'après Haenlein [HAE32], et Lee et Spencer [LEE31], les ondes sinusoïdales sont perturbées par le renforcement des perturbations axisymétriques, ce qui provoque la désintégration du liquide. Les forces d'inertie de l'air sont presque aussi

importantes dans ce cas que les forces de tension superficielle [EIF90]. La taille de gouttes est approximativement de l'ordre du diamètre de l'orifice de sortie (d0). Les équations mathématiques, décrivant ce type de désintégration, peuvent être trouvées dans Eifler [EIF90] et Mayer [MAY93].

Désintégration induite par le vent de type 2 (zone c): Si la vitesse d’injection continue d'augmenter, la désintégration induite par le vent devient de type 2 (Figs I-4 et I-5: zone c). Le nombre Reynolds devient suffisamment grand pour que l'écoulement soit turbulent (Re0>2300).

L’écoulement du combustible est complètement turbulent trop près de la sortie de l'injecteur. Par contre, l’écoulement extérieur de l'air peut être considéré partiellement turbulent.

Pour la désintégration induite par le vent de type 2, les gouttes commencent à se former en amont du noyau liquide par l'augmentation des ondes instables de petites échelles à la surface oscillante du liquide par l'action de la turbulence. Les forces de friction et de pression, dues à l'air environnant, agissent contre les forces de tension superficielle du liquide. À travers les instabilités de Kelvin-Helmholtz, les ligaments et les gouttes peuvent se détacher de la surface du liquide pour se désintégrer en aval. La taille des gouttes est plus petite que le diamètre d0 de

l'orifice de l'injecteur. Les perturbations sont produites plutôt en comparaison à la désintégration induite par le vent de type 1. La longueur intacte (Lint) décroît pour devenir de l’ordre du

diamètre de l’orifice de l’injecteur (d0) (Fig.I-5: zone c). Cependant, la longueur du noyau liquide (Lno) croit avec l'augmentation de la vitesse d'injection (Fig.I-4: zone c). En plus pour ce

régime apparaît clairement une divergence conique à une certaine distance de l'injecteur (Fig.I-5: zone c). En dépit du caractère partiellement turbulent de ce type de désintégration, une description mathématique est possible sous certaines conditions préalables [EIF90, MAY93].

Atomisation (zone d): L'atomisation est le mécanisme de désintégration prédominant pour l'injection du combustible diesel. L'atomisation prévaut avec les grands nombres de Reynolds, c’est à dire les grandes vitesses d'injection du liquide (Fig.I-1).

D'après Miesse [MIE55], la région de l'atomisation commence avec les nombres de Weber Weg>40,3 (Fig.I-2). Contrairement, Ranz [RAN56] donne comme limite Weg>13. Il paraît

néanmoins qu'une démarcation claire n'est pas du tout possible, puisque les effets intervenant ne sont pas pris en compte dans le nombre de Weber de l'air (Weg) [FAE87, RAN56, REI72].

Parmi les caractéristiques les plus importantes de l'atomisation, c'est que les gouttes produites sont plus petites que le diamètre du trou de l'injecteur (d0), et que le spray a une forme conique à la sortie de l'injecteur d’angle Θ (Θ>0) (Fig.I-4: zone d). L'atomisation du liquide, en contraste à la désintégration de Rayleigh ou aux désintégrations induites par le vent, commence directement à la sortie de l'injecteur. Reitz a défini le début de l'atomisation juste à la sortie de l'injecteur, en faisant tendre la longueur intacte du cylindrique liquide vers zéro (Lint →0).

Puisque l'atomisation est le processus prépondérant dans les sprays diesel, elle va être discutée amplement dans la suite.