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Mardi 12 juillet 2016, soutenance de thèse de Jean-Christophe GUILLARD - 11h00, Amphithéâtre K118, site Bergès

Étude expérimentale de l’atomisation assistée de jets diphasiques gaz-liquide

Membres du jury

- M. Alain CARTELLIER, directeur de recherche, CNRS, Directeur de thèse
- M. Jean-Philippe MATAS, Professeur, Université Claude Bernard, CoDirecteur de thèse
- Mme. Henda DJERIDI, Professeur, Grenoble-INP, Examinateur
- M. Serge SIMOENS, Directeur de recherche, CNRS, Rapporteur
- M. Pierre GAJAN, Docteur d’état (HDR), Office National d’études et de Recherches Aérospatiales (ONERA), Rapporteur
- M. Alberto ALISEDA, Professeur associé, University of Washington, Examinateur

Résumé

L’atomisation assistée d’une phase liquide lente par un co-courant gazeux rapide est un sujet largement étudié dans la littérature, et des avancées notables sont intervenues notamment sur les mécanismes de brisure, la structure du jet atomisé ainsi que sur les caractéristiques des gouttes formées. En revanche, peu d’études traitent d’une configuration où la phase lente consiste en un jet diphasique gaz-liquide. Cette situation se rencontre par exemple lors du transitoire d’allumage des moteurs cryotechniques de fusée durant lequel la fraction volumique de gaz passe continûment de 1 (jet interne purement gazeux) à 0 (jet interne purement liquide), de sorte que pratiquement tous les régimes d’écoulements diphasiques, allant du régime à bulles jusqu’aux écoulements annulaires, peuvent être observés.

L’objectif est donc de comprendre comment la fraction volumique de gaz et/ou le régime d’écoulement diphasique du jet interne impactent les modes d’atomisation et in fine les caractéristiques du spray.

Pour répondre à ces questions, des expérimentations ont été menées avec comme fluides de substitution de l’air et de l’eau en conditions ambiantes et sous gravité terrestre. Les trois paramètres de contrôle principaux sont la vitesse superficielle du liquide qui a été variée de 0,17 m/s à 2 m/s, la vitesse superficielle du gaz dans le jet interne qui a été fixée de telle sorte que la fraction de débit gaz balaye la plage 0 à 0,99 et enfin la vitesse du gaz externe qui a évolué entre de 20 à 200 m/s. Trois géométries d’injecteurs axisymétriques ont été utilisées pour d’une part accéder à tous les régimes d’écoulements diphasiques souhaités excepté l’écoulement à brouillard, et d’autre part pour varier le diamètre du jet central d’un facteur d’environ deux. Deux types de campagnes expérimentales ont été réalisées : une campagne à rapport des pressions dynamiques gaz-liquide fixé à 16 pour des fractions de débit volumique gaz variables, ainsi que des campagnes à fractions de débit volumique gaz fixe et M variable.

Les caractéristiques structurelles du spray, sa longueur de brisure et l’angle du spray formé ont été mesurés par imagerie rapide alors que les caractéristiques de la phase dispersée, c’est-à-dire tailles, vitesses et flux de gouttes ont été mesurés par sonde optique.

Les cartographies des régimes d’écoulements dans l’injecteur et des structures du jet diphasique avec et sans assistance par le gaz externe que nous avons établies ont permis de démontrer que ces structures étaient étroitement liées au régime d’écoulement du jet central. Trois modes d’atomisation principaux ont été identifiés et leur frontières établies. A faible fraction de débit gaz, l’atomisation de jets liquides chargés en petites bulles est sujet à l’épluchage de surface et aux battements latéraux à grande échelle comme sur un jet monophasique liquide. A très grande fraction de débit gaz, l’écoulement annulaire donne lieu à l’atomisation d’une nappe annulaire. Pour des valeurs intermédiaires, de nouvelles structures de type "parapluie" se forment à l’arrivée des bouchons de gaz caractérisées par une grande amplitude et un développement orthogonal au jet. L’atomisation des écoulements à régimes « churn » et annulaire donne lieu à des sprays à caractère intermittent du fait de passage de blocs liquides issus de l’écoulement interne.

La longueur de brisure est réduite par l’ajout de gaz interne jusqu’à devenir très petite pour les fractions de débit gaz élevées. Le comportement de l’angle du spray est différent selon le diamètre du jet atomisé et le régime d’écoulement interne : il peut augmenter ou réduire selon la configuration.

Les pdf centrées sur la taille goutte moyenne sont peu sensibles à la fraction de débit gaz. En revanche les tailles de gouttes moyennes et le flux volumique montrent des évolutions marquées : ils peuvent selon la fraction de débit gaz et donc selon la structure du jet atomisé réduire ou augmenter.