Visualisation des mécanismes de rupture

L’

utilisation de techniques photographiques et/ou d’imagerie à haute-cadence pour l’observation des mécanismes de production de gouttes dans les écoulements gaz- liquide s’est véritablement développée au cours des années 1960 (e.g. Hewitt et Hall-Taylor 1970 ). Elle a notamment permis à Woodmansee et Hanratty (1969 ), lors de l’étude des conditions critiques de début de l’atomisation dans un écoulement eau-air dans un ca- nal horizontal de section rectangulaire, de déterminer que l’arrachement des gouttelettes a principalement lieu du sommet des vagues à rouleaux se déplaçant à l’interface. Plus précisément, ils notent que l’atomisation semble se produire lorsque des rides capillaires présentes dans la structure des vagues sont brusquement accélérées et déstabilisées par l’écoulement de gaz plus rapide (instabilité de type Kelvin-Helmholtz). Ces auteurs notent également que des gouttelettes peuvent être arrachées lors de l’explosion de bulles de gaz emprisonnées dans la couche liquide ainsi que lorsque l’impact de gouttes précédemment

i. Ajoutons que le diamètre du tube utilisé est vraisemblablement susceptible de modifier l’équi- libre entre ces différents mécanismes (Baik et Hanratty 2003 ) : l’importance du phénomène de pom- page/étalement des vagues est par exemple probablement relativement faible pour les conduites de grand diamètre alors qu’il pourrait devenir majeur lorsque celui-ci est faible.

atomisées est suffisamment énergétique pour provoquer la génération de nouvelles gout- telettes. Ils jugent cependant ces deux derniers phénomènes largement minoritaires en comparaison du premier.

Figure III.12

Schématisation des différents mécanismes de rupture proposés par Ishii et Grolmes 1975 : (a) cisaillement du sommet de la vague, (b) coupure de la vague par sa

base, (c) explosion de bulle et (d) ré-entraînement par impact d’une vague ou d’une goutte sur la couche liquide.

Poursuivant dans la même voie, Ishii et Grolmes (1975 ) recensent quatre principaux mé- canismes d’atomisation pour les écoulements gaz-liquide horizontaux co-courants. Ceux-ci sont résumés sur la figure III.12. Outre le cisaillement du sommet d’une vague (figure III.12(a)), l’explosion de bulles (figure III.12(c)) et le ré-entraînement par déposition de gouttes (figure III.12(d)) déjà observés par Woodmansee et Hanratty (1969 ), ils proposent un autre mécanisme basé sur une coupure des vagues par leur base (figure III.12(b)) qui serait selon eux prépondérant lorsque les vitesses superficielles du gaz et du liquide sont relativement faibles. Ils notent également que le phénomène de ré-entrainement peut se produire à cause du déferlement du front des vagues sur la surface de la couche liquide (figure III.12(d)).

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epuis ces premières études, le domaine de l’imagerie à haute-cadence a connu de nombreuses avancées technologiques et celle-ci est désormais largement utilisée en méca- nique des fluides pour l’observation détaillée de phénomènes se produisant sur des échelles de temps très courtes (Thoroddsen et al. 2008 ). Elle a par exemple permis à Marmottant et Villermaux (2004 ) et à Bremond et Villermaux (2006 ) de mettre en évidence la pré- dominance de structures ligamentaires dans le processus d’atomisation de gouttes pour les cas respectifs d’un jet liquide cisaillé par un écoulement d’air coaxial et de la nappe liquide résultant de la collision de deux jets. C’est pourquoi, dans notre étude, l’imagerie à haute-cadence a également été choisie afin d’identifier les principaux mécanismes parti- cipant à la génération des gouttelettes dans la conduite. Les moyens mis en oeuvre pour la visualisation sont décrits dans la section II.3. Soulignons ici qu’à notre connaissance, peu d’études récentes ont utilisé ce type de techniques pour l’étude des modes d’atomisation dans les écoulements gaz-liquide en conduite. Dans celles-ci, on constate que l’observation

III.3 Atomisation de gouttelettes a lieu de manière axiale, de manière à obtenir des vues dans des nappes perpendiculaires à l’axe de la conduite (e.g. Azzopardi 1997, Badie et al. 2001 ). La raison de ce choix provient probablement de la géométrie cylindrique de la conduite qui rend difficile la visualisation de côté, surtout dans la configuration d’écoulement annulaire traitée dans ces travaux où la présence du film liquide à la paroi peut s’avérer particulièrement gênante pour l’acqui- sition d’images de bonnes qualité. Le travail présenté dans ce manuscrit a cependant été entrepris avec la conviction, renforcée par les observations qui seront présentées dans les sections III.3.2 et III.3.3, qu’une visualisation parallèle au plan médian de la conduite offre un meilleur potentiel que son homologue axiale. Celle-ci présente en effet de nombreux inconvénients :

– Les événements d’atomisation semblent se produire préférentiellement dans la di- rection de l’écoulement (cf figure III.12), ce qui rend une visualisation axiale mal adaptée à leur observation.

– Les vitesses axiales des gouttes ne peuvent pas être mesurées.

– Les vitesses axiales étant fortement dominantes dans le type d’écoulement étudié, il est difficile de suivre les événements de rupture dans leur intégralité à moins de disposer d’une profondeur de champ très importante.

– Les nombreuses gouttes présentes entre le capteur de la caméra et le plan de visua- lisation peuvent dégrader la qualité des images obtenues.

– Le grossissement apparent des gouttes étant fonction de leur éloignement au capteur de la caméra, l’évaluation de leur taille peut s’avérer délicatei_.

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’observation des mécanismes relatifs à l’atomisation des gouttelettes dans notre dispositif expérimental a majoritairement eu lieu dans le régime stratifié avec atomisation, et pour le reste dans le régime annulaire. La fréquence d’acquisition de la caméra est fixée à 6000 images par seconde et la largeur des champs utilisés varie entre 15 et 30 mm. Les plages de vitesses superficielles pour lesquelles les visualisations ont été réalisées s’étendent d’environ 0, 05 à 0, 15 m/s pour l’eau et de 11, 5 à 22 m/s pour l’air. Lorsque celles-ci sont trop faibles, l’atomisation est en effet trop rare pour permettre d’observer régulièrement des phénomènes de rupture dans le champ de la caméra. Au-delà de 22 m/s pour le gaz, les gouttes deviennent très nombreuses et il devient difficile d’isoler les phénomènes d’ato- misation dans cet environnement très perturbé.

Les différents mécanismes ainsi identifiés sont présentés dans les sections III.3.2 et III.3.3. Ils ont été regroupés en deux catégories, par analogie avec la classification utilisée pour décrire la formation de sprays par atomisation d’un courant liquide (e.g. Dumouchel 2008 ). La première, à laquelle on se référera par la suite sous la dénomination d’atomisation primaire, regroupe les divers phénomènes par lesquels des gouttes peuvent être arrachées du corps de la couche liquide. La seconde, appelée atomisation secondaire, regroupe les mécanismes observés pouvant amener des gouttes déjà entraînées par la phase gazeuse à se fragmenter en gouttes de tailles inférieures.

i. On pourrait ici penser à l’utilisation d’une optique télécentrique. L’encombrement important de ce type de dispositifs rend cependant compliquée son utilisation dans le type de configuration étudié ici (observer par exemple la taille de l’objectif sur la figure II.14).

Dans le document Cisaillement d'une interface gaz-liquide en conduite et entraînement de gouttelettes (Page 76-79)