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

par Jean-Christophe Guillard

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Alain Cartellier et de Jean-Philippe Matas.

Le président du jury était Henda Djeridi.

Le jury était composé de Alberto Aliseda.

Les rapporteurs étaient Serge Simoëns, Pierre Gajan.


  • 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 continument 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.

  • Titre traduit

    Experimental study of an assisted atomization of a two-phase gaz-liquid jet


  • Résumé

    Assisted atomization of a liquid phase slow by a rapid gas co-current is a topic widely studied in the literature, and significant advances have occurred especially on the breakup mechanisms, the structure of the atomized jet as well as the characteristics of formed drops. However, few studies deal with a configuration where the slow phase consists of a two-phase liquid-gas jet. This situation occurs for example during the transitional ignition of cryogenic rocket engines during which the volumic gas fraction decreases continuously from 1 (purely gas) to 0 (purely liquid), so that almost all two-phases flow regimes, from bubbly flow to annular flow can be observed.The goal is to understand how the volumic gas fraction and/or two-phase flow regime of internal jet impact the atomization modes and the characteristics of the spray.To answer these questions, experiments were conducted with as fluid of substitution air and water under ambient conditions and under gravity. The three main control parameters are the superficial velocity of the liquid which was varied from 0.17 m/s to 2 m/s, the superficial gas velocity in the internal jet that has been set so that the gas flow rate fraction sweeps the range 0 to 0.99 and finally the external gas velocity that has evolved between 20 to 200 m/s. Three geometries of axisymmetric injectors were used to firstly access any desired phase flow regimes except mist flow, and also to vary the diameter of the central jet by a factor of about two. Two types of experimental campaigns were carried out: a campaign where the gas-liquid dynamic pressure ratio was set at 16 for varied gas flow rate fraction, as well as campaigns with fixed gas flow rate fraction and variable M.The structural characteristics of the spray, its breakup length and the angle of spray were measured by high speed imaging while the characteristics of the dispersed phase, that is to say, sizes, velocities and flows of the drops were measured by optical probe.Mapping of flow regimes in the injector and two-phase jet structures with and without assistance by external gas that we have established have shown that these structures were closely related to the flow regime of the central jet. Three main atomization modes were identified and its borders established. For small gas flow rate fraction, the atomization of liquid jets laden bubbles is subject to surface peeling and large-scale lateral beats like a single phase liquid jet. For very large gas flow rate fraction, the annular flow results in the atomization of an annular liquid sheet. For intermediate values, new structures type of umbrella form at the arrival of gas slugs characterized by high amplitude and orthogonal development with respect to the jet. Atomization of “churn" flow and annular flow gives rise to intermittent sprays because of passage of "liquid blocks" from the internal flow.The breakup length is reduced by the addition of internal gas and become very small for the high gas flow rate fractions. The behavior of the angle of the spray is different depending on the diameter of the atomized jet and the internal flow regime. It may therefore increase or decrease depending on configuration.Centred pdf on mean drop size are not much sensitive to the gas flow rate fraction. However mean drop sizes and volumic fluxes show marked evolution: they can according to the gas flow rate fraction and therefore the atomized jet structure decrease or increase.


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