Visualisation du spray par rétro-éclairage

La qualité du spray généré par l’injecteur DIFAV est tout d’abord étudiée par une visualisation directe par rétro-éclairage (Sec.4.6.1). Ces visualisations sont menées avec et sans vapeur afin d’illustrer son effet sur l’atomisation. La figure Fig.5.4(a)est obtenue pour un débit massique de dodécane ˙mf = 10.8g · min−1

en l’absence de vapeur, ce qui correspond à un GLR = 0. La pression du com-bustible mesurée dans la ligne d’alimentation pour cette condition opératoire est pf = 5.7bar. Cette image montre un jet liquide formé à la sortie de la buse qui est ensuite désintégré progressivement en gouttelettes. Le diamètre des gouttes

(a) Jet de dodecane sans vapeur (GLR = 0) avec ˙mf = 10.8 g · min⁻¹.

(b) Spray de dodécane avec un GLR = 0.055 et ˙mf = 9.2 g · min⁻¹.

Figure 5.4 – Images du spray généré par l’injecteur DIFAV dans sa configuration de référence obtenues par rétro-éclairage.

est proche du diamètre dn des buses de l’injecteur. La figure Fig. 5.4(b) est une photographie obtenue pour un GLR = 0.055, avec un débit de dodécane

˙

m_f = 9.2g · min−1 et une pression pf = 4.5bar dans la ligne d’alimentation en dodécane. La pression dans la ligne de vapeur est ps = 2.75bar. Sur cette image, il n’existe plus de dard liquide dense proche des buses d’injection. Un nuage de gouttes est formé dès la sortie de l’injecteur. L’ajout de vapeur d’eau permet de considérablement améliorer la qualité du spray de combustible et d’avoir des gouttes beaucoup plus fines.

5.2.2 Analyse des profils radiaux de taille et de vitesse des gouttes D (µm) GLR=0.01 − z=10 mm − r=0 mm − y=0 mm − max=5061 0 10 20 30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (a) GLR = 0.01. D (µm) GLR=0.06 − z=10 mm − r=0 mm − y=0 mm − max=2204 0 10 20 30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (b) GLR = 0.06.

Figure 5.5 – Distribution de la taille des gouttes générées par l’injecteur de référence mesurée sur l’axe du jet à z = 10mm en aval de la buse d’injection pour deux GLR avec m˙f = 12.5g · min−1.

r /dn D³ 2 (µ m ) −10 −5 0 5 10 0 10 20 30 GLR=0.01 GLR=0.04 GLR=0.06 GLR=0.09

Figure 5.6 – Evolution du SMD des gouttes en fonction de la position radiale r adimensionnée par dn àz = 10mm pour différents GLR. ? GLR = 0.01, + GLR = 0.040, GLR= 0.060 et◦ GLR = 0.090.

pour quatre valeurs de GLR : GLR = 0.01, 0.04, 0.06 et 0.09. Les mesures PDPA sont réalisées à z = 10 mm en aval de l’injecteur pour examiner l’évo-lution du diamètre moyen de Sauter (SMD) des gouttes et de la vitesse axiale moyenne ¯u des gouttes. L’injecteur est utilisé dans sa configuration de réfé-rence avec un débit de dodécane ˙mf = 12.5g · min−1. La figure Fig.5.5montre deux distributions de taille de gouttes mesurées au centre du spray pour un GLR = 0.01 (Fig. 5.5(a)) et pour un GLR = 0.06 (Fig. 5.5(b)). Le diamètre moyen des gouttes est d’environ D10 = 8µm et le SMD vaut D32 = 19µm lorsqu’il y a peu de vapeur injectée (Fig. 5.5(a)). Cette valeur élevée du SMD par rapport au diamètre moyen D10met en évidence une dispersion importante de la taille des gouttes lorsque GLR = 0.01 et notamment un étirement de la queue de la distribution vers les grosses gouttes. La dispersion de taille des gouttes est réduite lorsque le GLR = 0.06 (Fig.5.5(b)). Le diamètre moyen des gouttes vaut ici D10 = 6µm et le SMD vaut D32 = 9µm. Pour cette configu-ration géométrique de l’injecteur DIFAV, ce type de distribution est observée pour tous les GLR > 0.02 avec les mêmes valeurs de SMD et de D10.

L’évolution du diamètre des gouttes D32est présentée en fonction de la position radiale r adimensionnée par le diamètre de la buse dn= 0.20mm à la Fig.5.6. Les profils du SMD des gouttes sont symétriques par rapport à l’axe du jet. Lorsque le GLR = 0.01, on note que le SMD augmente en se rapprochant du centre du jet. Les valeurs sur les bords du spray sont relativement uniformes et proches de SMD = 10 µm. Cette évolution peut s’expliquer par l’existence d’un dard liquide au centre du spray pour ces faibles GLR comme l’indique la Fig.5.7(a) obtenue pour un GLR = 0.015. Lorsque GLR ≥ 0.04, le SMD des gouttes augmente légèrement depuis l’extérieur du spray et diminue ensuite

lé-(a) GLR = 0.015. (b) GLR = 0.025.

Figure 5.7 – Images obtenues par rétro-éclairage pour l’injecteur de référence avec un débit de dodécane m˙f = 12.5g · min−1 et deux GLR.

gèrement au centre. Il s’agit d’un profil à deux bosses symétrique par rapport à l’axe du spray. Cette évolution est en accord avec les études deLefebvre (1996); Panchagnula and Sojka (1999);Kushari (2010);Qian et al. (2010);Ejim et al. (2010);Qian and Lin (2011);Li et al. (2012);Li et al. (2013)dans lesquelles une décroissance du SMD lorsqu’on s’approche de l’axe du spray a été constatée. Dès que GLR ≥ 0.04 les mesures de SMD se confondent le long de l’axe radial. Le diamètre moyen de Sauter des gouttes est égal à D32 ≈ 9 µm quelle que soit la position radiale autour de l’axe |r/dn| ≤ 10 mm. Dans ce cas, le spray forme un brouillard dense de petites gouttes, même très près de la sortie de l’injecteur, comme l’indique la Fig. 5.7(b) obtenue par rétro-éclairage pour un GLR= 0.025.

Les distributions des vitesses axiales u des gouttes mesurées au centre du spray simultanément avec la taille des gouttes sont présentées à la Fig. 5.8pour diffé-rents GLR. Lorsque le GLR = 0.01 (Fig.5.8(a)), la vitesse moyenne des gouttes vaut ¯u = 17 m · s−1et la fluctuation efficace de la vitesse vaut uRM S = 5m · s−1. Lorsque le GLR = 0.06 (Fig.5.8(b)), la distribution de vitesses est semblable à une gaussienne avec des queux de distribution bien résolues. La vitesse moyenne est ¯u = 39 m · s−1et la fluctuation efficace de la vitesse vaut uRM S = 9.5m · s−1. Ce type de distribution est obtenu pour tout GLR > 0.020. On peut remar-quer que pour un GLR = 0.06, la distribution de la taille des gouttes est peu dispersée (Fig. 5.5(b)) mais la dispersion de la vitesse est importante. Pour un GLR= 0.01, la vitesse des gouttes est plus homogène alors que la distribution des diamètres est plus dispersée.

L’évolution radiale de la vitesse axiale moyenne des gouttes ¯u(r) est repré-sentée à la Fig. 5.9. On constate que pour toutes les conditions explorées, le profil des vitesses est symétrique par rapport à l’axe du spray. La vitesse est maximale sur l’axe du jet et décroît rapidement lorsqu’on s’éloigne de l’axe. Lorsque r/dn= 10, la vitesse des gouttes est très faible ¯u ' 0. Ce profil de

vi-u (m/s) GLR=0.01 − z=10 mm − r=0 mm − y=0 mm − max=5676 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (a) GLR = 0.01. u (m/s) GLR=0.06 − z=10 mm − r=0 mm − y=0 mm − max=1521 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (b) GLR = 0.06.

Figure 5.8 – Distribution de la vitesse axiale u des gouttes générées par l’injecteur de référence mesurée sur l’axe du jet àz = 10mm en aval de la buse d’injection pour deux GLR lorsquem˙f = 12.5g · min−1.

tesse est en accord avec les résultats obtenus parPanchagnula and Sojka (1999). Cette analyse montre que le SMD des gouttes au centre du spray est repré-sentatif de l’évolution du diamètre moyen des gouttes selon la position radiale. Les profils des vitesses axiales moyennes ont tous le même comportement se-lon r lorsque le GLR varie avec un maximum atteint au centre du spray en r = 0mm dès lors que le GLR ≥ 0.02. Par la suite, nous nous intéressons donc uniquement aux mesures réalisées au centre du spray.