Évaporation et dispersion d'un spray bi-composant dans un écoulement de canal chauffé fortement

187 Pages·2011·1.88 MB·French

THÈSE
Envuedel’obtentiondu
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivréparl’InstitutNationalPolytechniquedeToulouse
Spécialité:Dynamiquedesfluides
Présentéeetsoutenuepar
Florian Moreau
le29Novembre 2010
Évaporation et dispersion d’un spray bi-composant
dans un écoulement de canal chauffé fortement turbulent
Une approche expérimentale
JURY
ChristineRousselle Présidente
PascaleDesgroux Rapporteur
ChristopheDumouchel Rapporteur
GérardLavergne Examinateur
FabriceLemoine Examinateur
RudyBazile Directeurdethèse
Écoledoctorale: Mécanique,Energétique,GénieCivil,Procédés(MEGeP)
Unitéderecherche: InstitutdeMécaniquedesFluidesdeToulouse(IMFT)
Directeurdethèse: RudyBAZILE

Résumé
Cetteétudes’inscritdanslecadredelacompréhensiondesphénomènesayantlieudansleschambres
decombustionaéronautiques.Cesphénomènesétantmultiplesetcomplexes,dessimplifcationssontné-
cessaires.L’étudesefocaliseuniquementsurl’évaporationdegouttelettesbi-composantenécoulements
turbulents. De nombreux modèles d’évaporation existent mais l’infuence de la turbulence dans le cas
d’un spray est encore mal comprise. Alors que la turbulence augmente l’évaporation d’une goutte iso-
lée, elle peut amener à la création d’amas de gouttes qui vont au contraire ralentir l’évaporation. Cette
étude a donc pour but de fournir un certain nombre de données quantitatives permettant une meilleure
compréhensiondecesphénomènesetuneaméliorationdesmodèles.
L’approche est expérimentale. L’objectif est de quantifer, d’une part l’évaporation et la dispersion
de gouttelettes, d’autre part le mélange vapeur dans un écoulement de canal dont les caractéristiques
seront connues. Afn de simplifer les conditions expérimentales, la température est moins élevée que
danslecasréeletlapressionestlapressionatmosphérique.Deplus,lesgouttelettessontbi-composant
(octane/3-pentanone).
Lebancutiliséestdiviséendeuxparties.Sapartiesupérieureestcomposéed’unsystèmedegénéra-
tiondel’écoulement turbulentet d’uninjecteurdegouttelettes. Sapartieinférieureest composéed’une
veinedanslaquellel’écoulementdiphasiqueestanalysé.
L’écoulement porteur est étudié sans le spray par Anémométrie Laser Doppler. L’écoulement pré-
senteuneforteturbulence,desproflsplatsdevitessesmoyennesetdefuctuationsdevitesses,enzone
établie.Lespropriétésd’isotropieetladécroissancedelaturbulencesontprochesdecellesobtenuesen
turbulencedegrille.
La phase dispersée est suivie à chaud à l’aide de deux méthodes : par Anémométrie Phase Doppler
et par Fluorescence Laser Induite. L’Anémométrie Phase Doppler permet d’avoir accès simultanément
au diamètre et à la vitesse de chaque goutte passant à travers le volume de mesure. En raison de la
forte polydispersion, les comportements des gouttelettes vis à vis de la turbulence sont très différents.
En revanche, l’homogénéisation est rapide quelque soit la classe de taille. La présence d’amas dont la
quantitédiminueenavaldanslaveineestmisenavant.LaFluorescenceLaserInduitemesurelaquantité
demoléculesde3-pentanoneenphaseliquide.L’évolutiondelaconcentrationliquide,desfuxdemasse
etdesamasestdécrite.
LaFluorescenceInduiteparLaserpermetaussidesuivrelaquantitéde3-pentanoneenphasevapeur.
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L’évolutiondesproflsradiauxetaxiauxdeconcentrationmoyenneetdesfuctuationsdeconcentration
estprésentée.L’homogénéisationdumélangeestquantifée.
Abstract
Thisworkaimstounderstandthephenomenathatoccurinacombustionchamber.Duetothecom-
plexity of the phenomena encountered, simplifcations are made. This study only focuses on multi-
component droplet evaporation in turbulent fows. Many evaporation models exist, but the infuence
of turbulence on a spray is yet not well understood. On one hand, turbulence increases the droplet eva-
poration rate. On the other hand, it may generate clusters, in which saturation stops the process. This
studyaimstogiveadatabasethatcanbeusedtoimprovethephysicalunderstandingoftheprocessand
toimprovemodelperformances.
This is an experimental approach. The objective is to measure evaporation and dispersion of dro-
plets and vapour mixing in a well-known turbulent fow. In the simplifed test case studied here, the
temperatureislowerthaninarealcaseandthepressureisatmospheric.Thedropletsarebi-component
(octane/3-pentanone).
The experimental set-up is divided into two parts. The frst part, at the top, consists in a turbulence
fowgeneratorandadropletinjectiondevice.Thesecondpartisachannelinwhichthetwo-phasefow
isanalysed.
ThecarrierfowismeasuredusingLaserDopplerAnemometry.Themainfowpropertiesare:high
turbulence levels, fat profles for the mean velocity and velocity fuctuations. The turbulence decreases
andisotropicpropertiesareclosetothoseofgridturbulence.
ThedispersedphaseismeasuredusingPhaseDopplerAnemometry(PDA)andLaserInducedFluo-
rescence (LIF). The velocity and diameter of each droplet passing through the measurement volume is
measuredbythePDAtechnique.Thereisalargevarietyofdropletbehavioursduetothelargepolydis-
persion and turbulence. Droplet clusters are measured. Their amounts decrease with the distance from
theinjector.Theconcentrationof3-pentanonecanbemeasuredwiththeLIFtechnique.Theevolutionof
theliquidconcentration,massfuxanddropletclustersisdescribed.Themeanvapourconcentrationand
itsfuctuationsaremeasuredalongtheaxialandradialaxis.Themixingofthevapourischaracterised.
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Remerciements
Je remercie l’ensemble des membres du jury : Christine Rousselle pour avoir accepté de présider
le jury, Pascale Desgroux et Christophe Dumouchel pour avoir été rapporteurs de cette thèse et enfn
Gérard Lavergne et Fabrice Lemoine pour avoir examiné ce travail. Je les remercie pour leurs critiques
etlesdiscussionsquenousavonseues,quiontpermisd’enrichircetravail.
Lathèseestuneaventurescientifquemaisc’est aussiuneaventurehumaine. Jeproftedoncdeces
quelqueslignespourremerciertousceuxquej’aipucôtoyeraulongdecesannées.
Commençons par les personnes qui m’ont accueilli au sein du laboratoire : Jacques Magnaudet, di-
recteurdel’IMFT;HenriBoisson,directeuradjoint;OlivierSimonin,directeurdugroupePSC,etenfn
Rudy Bazile, mon directeur de thèse. Je te remercie Rudy, au delà de notre collaboration scientifque,
pourtonsoutienhumaininfaillible.
Lorsque l’on fait une thèse basée sur des expériences, on est amené à travailler avec beaucoup de
personnes. Sans elles, tout cela aurait souvent été beaucoup plus compliqué. Je tiens donc à remercier
Doris, Sandrine, Muriel, Catherine, Sylvie, Lionel, Thierry, André et Bruno qui sont indispensables au
bon fonctionnement et à la bonne ambiance du laboratoire et que j’ai eu l’occasion de croiser quasi
quotidiennement.
MerciàJean-Marc,LaurentetJean-Pierredel’atelier,pourleursconseils,leursidéesetl’ensemble
de leur travail sur le banc expérimental. Merci à l’ensemble du personnel du service informatique et en
particulier à Yannick que j’ai le plus côtoyé. Merci aux membres du service signaux et images : Jean-
Félix, Hervé pour tes montages électroniques et pour m’avoir prêté un nombre incalculable de fois ton
matériel, Emmanuel pour tes conseils et tes réglages lasers. Merci Sébastien pour ta bonne humeur, ta
vivacitéd’espritettesconnaissancesencyclopédiques.
Je remerciel’ensemble des membres du PFA-ASTRA et en particulier ceux avecqui j’ai eu l’occa-
siondecollaborerétroitement:VirginelBodoc,YvesBiscos,MikaelOrainetGérardLavergne.
JeremercieaussilesmembresdugroupePSC.Cegroupeestdéfnitivementunendroittrèsagréable
pour faire une thèse. Florence, j’ai beaucoup apprécié ton sourire et ta protection en particulier quand
j’enavaisbesoinenfndethèse,aprèsunreportdelasoutenanceàcausedegrèvedestransportspuisde
la neige... Gérard, ton expérience en mécanique et tes idées inépuisables ont permis d’arriver à adapter
la manip’. Le groupe va perdre beaucoup lors de ton départ prochain à la retraite. Enfn Moïse; ta dis-
ponibilité est d’un grand réconfort pour tout expérimentateur du groupe. Ta bonne humeur a rendu ces
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longuescampagnesdemesuresbienplusagréablesqu’ellesnel’auraientétéautrement.Etaudelàdeça,
jesuisheureuxd’avoirpartagécesmomentsavectoi.Tuasétéunedesbellesrencontresdecettethèse.
Merci aussi à Pascal, Hervé, Anaïg, Renaud, Benoît, Jean Luc, Dirk, Franck, Marco, Mariyana,
Micheline,Virginie,Eric,Emre,Alessandro,etBen.
Merci aux "jeunes" : à Aurélien et Marion P. -mes "chimistes" préférés-, Daniel -comique et pho-
tographe exceptionnel entre bien d’autres talents-, Guillaume -notre Kasparov sauce PSC-, Mehdi -j’ai
beaucoupaiménosdiscussions;maisvamaniperplutôtquedeliremesremerciements!-,monseigneur
Ali, Marion L. -la flle la plus classe de l’IMF, encore un zeste de confance et tu seras la meilleure-
, Adrien -dommage qu’on ne se soit pas connus plus tôt, je suis sûr que tu vas faire une super thèse-,
MC -t’es vraiment une tueuse!-, Jérôme -notre beau gosse écolo et couch surfeur national-, Nico -pour
la musique : les fameuses "chansons du Vendredi", les comp’îles, les TD ensemble, ...-, Romain -pour
lesjeux desociétés, enparticulierBSG ettous lesjeux degoujats, lesfajitas,...-. Merciàtous pourles
pauses,lesrepasdumidi,lesdébatstoujourscalmesetmesurés,etlessoiréespasséesensembles.
MerciàMagalipoursagentillesseetpourm’avoirbienpassélerelai.
Merci à Anthony pour avoir initié les soirées pokers (devenues les IMFT Poker Tour) et pour les
bons moments passés ensemble; à Olivier P. pour associer à ce point ouverture d’esprit, intelligence et
humilité;àNicoG.pouravoirpartagéavecmoilasalledemanip’etquelquestrèsbonsrepas;àZafer
pouravoirétémonprofd’anglais,deturcetmonélèvedefrançais.Gardetonincroyablebonnehumeur;
àYannickpourtesinnombrablesconnaissancestechniques,tessupersidéespourlamanip’,lesquash,le
skiettout...
Merci à Enrica pour les potins, pour ta générosité et ton originalité. Merci d’avoir été la maman
de tous les thésards pendant ces années. Merci à JF pour avoir refait quotidiennement la pédagogie, la
scienceetlemondeavecmoi.(cid:24)Ch(cid:24)ic(cid:24)ag(cid:24)oMinneapolisavecvousc’étaitlebonheur!
MerciàVivi,LizetAlicepouravoirprêtévoscopainsetavoirfaitcetteaventureavecnous!
JeremercieaussilesfllesdugroupeOTE:EmmaetJulie.
Merci à mes collègues de bureau successifs : Xavier et le roi Arthur dans un premier temps avec
qui j’ai débuté ma thèse en "salle sud"; puis Florent, Roël et Laurent, grâce à vous ces années ont été
parseméesd’échangesscientifques,dedébatsetderire.Merciàvous.
Al’IMFTj’aieulachancederencontrerdenombreuxchercheursavecquileséchangesscientifques
ethumainsontétéenrichissants.JepenseàThierryPoinsot,EricCliment,FrançoisCharru,PatriciaErn,
Catherine Colin, Veronique Roïg. Merci à Bernard Ferret pour m’avoir proposé les TD de thermody-
namique à l’IUT. Je remercie aussi Frédéric Risso pour m’avoir permis de participer aux ateliers de la
fête de la science et pour nos nombreuses discussions. Merci Dominique pour nous avoir supportés, JF
et moi, pendant ces années et nous avoir laissé une grande liberté de ton dans l’approche de l’atelier de
rhéologie;j’aibeaucoupaimédiscuterdescienceetdebiend’autreschosesavectoi.
Plusieursrencontresonteuunimpactimportantsurmonenviedefairedelascience:Christianequi
m’a depuis toujours laissé penser que la science était accessible et ceux que je considère comme mes