Influence de la pression sur la tension superficielle des alcanes et des carburants : mesures et modélisation

par Jérôme Dechoz

Thèse de doctorat en Physique. Énergétique

Sous la direction de Claude Rozé.

Soutenue en 2002

à Rouen .


  • Résumé

    Dans les moteurs diesel modernes, le gazole est directement injecté dans la chambre de combustion où la pression et la température sont élevées. Dans ces conditions, l'interface liquide-gaz est mal connue. Une double approche, expérimentale et théorique, est proposée pour étudier la tension superficielle des alcanes et des carburants en fonction de la pression et de la température. Une méthode expérimentale de mesure de tension superficielle est développée, basée sur les propriétés des ondes capillaires. Le sondage de la surface à l'aide d'un faisceau laser permet de mesurer le nombre d'onde et d'en déduire la tension superficielle. Cette expérience est réalisée dans une enceinte pressurisée autorisant des mesures à des températures jusqu'à 400 K et à des pressions jusqu'à 100 bar. Un modèle d'interface est également développé. Il permet de calculer théoriquement la tension superficielle à partir des propriétés du fluide. La théorie repose sur l'hypothèse d'une interface d'épaisseur non-nulle où la densité passe continûment de celle du liquide à celle du gaz et sur l'hypothèse dite "du gradient". Elle fournit l'allure des profils de densité et la tension superficielle. Des systèmes binaires, composés d'un alcane et d'un gaz neutre, sont considérés de manière à introduire explicitement les effets de la pression. Une étude soigneuse de l'équilibre des phases est nécessaire. Les prédictions de tension de surface en fonction de la pression sont en bon accord avec l'expérience. L'allure des profils théoriques met en évidence l'adsorption de différents gaz à la surface des alcanes. Il apparaît que la tension superficielle subit des variations importantes lorsque la pression augmente, et que ces variations sont très sensibles à la nature du gaz environnant. Quelques idées concernant l'état critique d'un système binaire sont également éclaircies.


  • Résumé

    In modern diesel engines, the fuel is directly injected in the combustion chamber under high pressure and temperature. Under these conditions, the behaviour of the interface between the liquid and the surrounding gas is not clearly understood. Indeed, the value of the surface tension is unknown at high pressure. We studied this problem with a theoretical approach and an experimental one. An experimental method for the measurement of surface tension, based upon the properties of capillary waves, is proposed. Scanning the surface with a laser beam provides a measurement of the wave number from which we deduce the surface tension. This experiment is realized in a high pressure chamber allowing measurements at temperatures up to 400 K and pressures up to 100 bar. A modelisation of fluid interface is proposed. It allows the theoretical calculation of surface tension from the fluid properties. This theory, based on the assumption of a non-zero width interface, in which the density varies continuously from the liquid to the gas and on the gradient assumption. The density profiles and the surface tension are computed. Binary systems, with an inert gas and an alkane, are introduced, in order to explicitly take pressure effects into account. A phase equilibrium calculation is necessary. The model provides satisfying values of surface tension against pressure and a view of the structure of the interface with density profiles that show adsorbtion of gas molecules. Then, surface tension shows large variations with pressure, and these variations are very sensitive to the nature of the surrounding gas. We although clarify some ideas about critical state of a binary mixture.

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Informations

  • Détails : IV-200 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 113 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Rouen. Service commun de la documentation. Section sciences site Madrillet.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 02/ROUE/S059
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