Stabilité et atomisation d'une nappe annulaire liquide soumise à deux courants gazeux avec effets de swirl : application aux futurs moteurs fusée cryotechniques

par Nicolas Leboucher

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Francis Roger.


  • Résumé

    Dans une optique d'amélioration ou de construction de moteurs fusée dérivés du modèle Vulcain, ce projet propose une nouvelle géométrie d'injecteur permettant l'atomisation efficace d'une nappe annulaire liquide en un brouillard de gouttelettes, nécessaire à un rendement élevé de combustion de propergols. Les images de tomographie et de visualisations rapides ont permis de comprendre les mécanismes de rupture de la nappe liquide par un courant interne et/ou externe tandis que la phase diluée a été caractérisée par les techniques de Vélocimétrie par Images de Particules et d'Interférométrie par Phase Doppler. Plusieurs modes de rupture ont été identifiés dépendant principalement du rapport du flux de quantité de mouvement gaz/liquide et une étude fréquentielle a été réalisée sur les battements de la nappe. Le mode qui nous intéresse plus particulièrement, nommé « arbre de Noël », permet une atomisation primaire beaucoup plus efficace que celui d'un jet liquide assisté par une couronne annulaire de gaz mais aussi d'obtenir une granulométrie plus faible des gouttes produites. L'étude des différents paramètres : rapport des densités de flux de quantité de mouvement gaz/liquide, pression ambiante et rotation du gaz a montré que les deux premiers cités ont une influence très importante sur la granulométrie tandis que la longueur de rupture de la nappe dépend principalement du premier et du dernier. La rotation du gaz modifie fortement la forme du profil de vitesse en sortie d'injecteur et donc du spray généré par la suite. Elle permet également une fluctuation plus faible de la longueur de rupture de la nappe et surtout une bonne homogénéisation de la vitesse des gouttes. Bien que ce type d'atomisation soit déjà particulièrement efficace, l'ajout d'une couronne de gaz externe améliore nettement l'atomisation.

  • Titre traduit

    Atomization process of an annular liquid sheet assisted by two coflowing gas streams, rocket engine application


  • Résumé

    In order to design new injectors in cryogenic propulsion, the atomization process of an annular liquid sheet is investigated. The break-up mechanisms have been studied by high speed visualizations and the spray is examined by Particle Velocimetry and Phase Doppler Interferometry. Different break-up modes have been identified depending mainly from the gas to liquid momentum ratio and a frequency analysis has been carried out on the sheet oscillations. The most interesting mode for combustion, named "Christmas tree", produces a primary atomization more effective than a round liquid jet assisted by an annular gas jet and the mean droplet size is smaller. Moreover the droplet diameter is strongly dependant on the momentum flux ratio and ambient pressure. The break-up length decreases with the momentum flux ratio and swirl. The last changes the gas velocity profile at the injector exit and consequently the resulting spray. The variation of the break-up length and the droplet velocity are also reduced. Although this configuration is effective, an outer gas stream enhanced clearly the atomization.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (158 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 97 réf.

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