Instabilité de flapping : origine et effets sur la structure et le spray d'un jet atomisé

par Antoine Delon

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

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

Le président du jury était Philippe Marmottant.

Le jury était composé de Peter Spelt, Alberto Aliseda.

Les rapporteurs étaient Françoise Baillot, Fabien Anselmet.


  • Résumé

    L’atomisation d’un jet ou d’une nappe liquide assistée par un courant gazeux rapide est couramment utilisée dans l’industrie ainsi qu’en propulsion aéronautique (turboréacteur) et spatiale (moteur-fusée cryotechnique). Plusieurs processus permettent la fragmentation de la structure cohérente liquide en gouttes. L’épluchage, qui intervient à courte distance en aval de l’injection, a été assez largement étudié (Marmottant et Villermaux 2004, Hong et al 2004) et les mécanismes sont assez bien décrits. En revanche, l’origine des instabilités large échelle – ou « flapping » - intervenant plus loin en aval, instabilités qui sont à l’origine de la production de large gouttes, reste mal comprise. Ceci est particulièrement vrai pour des jets cylindriques qui, contrairement au cas de nappes, ont fait l’objet de très peu d’études. Nous nous sommes donc attachés à comprendre l’origine du « flapping », à analyser ses liens avec les instabilités interfaciales de cisaillement, et à quantifier son impact sur la structure du jet ainsi que sur les gouttes produites. Pour cela, des expériences ont été menées en eau/air sur de larges plages de paramètres, aussi bien en termes de vitesses phasiques que des dimensions des veines gaz et liquide. Un soin particulier a été apporté au contrôle des écoulements internes.Pour l’ensemble des géométries, nous avons montré que la longueur du dard liquide est pilotée par le battement large échelle et non par le processus d’épluchage. Par ailleurs, la longueur de brisure présente une décroissance marquée avec la vitesse gaz, puis reste constante au delà d’une vitesse gaz critique. Un modèle a été proposé pour ce comportement asymptotique dans lequel la longueur de brisure est pilotée par le rapport de la vitesse liquide d’injection à une vitesse capillaire construite sur le diamètre liquide.La technique de mesure de la fréquence du battement large échelle mise en œuvre à partir d’images acquises par ombroscopie s’est avérée opérationnelle sur toute la plage de vitesses gaz considérées. Cette fréquence, qui ne varie pas spatialement, présente deux comportements : un premier où elle augmente avec la vitesse gaz, et un second où elle reste indépendante de la vitesse gaz. Ce second régime n’est pas mentionné dans la littérature. Pour le premier régime, le lien entre flapping et instabilité de cisaillement a été démontré en s’appuyant notamment sur des analyses de stabilité. Le nombre de Strouhal associé est piloté par le cisaillement côté gaz. La dépendance de la fréquence de battement à l’épaisseur de vorticité côté gaz est ainsi établie lorsque l’instabilité de cisaillement est pilotée par un mécanisme inviscide. Pour le second régime, le caractère opportuniste du flapping a été démontré l’aide d’une expérience de forçage : le flapping amplifie des structures liquides de longueur d’onde plus grande que celle associée à l’instabilité de cisaillement. Un nombre de Strouhal construit sur le diamètre liquide du jet et la vitesse du jet liquide à la distance de brisure a été proposé. Enfin, le rapport du diamètre du jet liquide à la longueur d’onde de l’instabilité de cisaillement semble pertinent pour définir la frontière entre ces deux régimes.Les tailles des gouttes produites sur l’axe de symétrie ont été mesurées à l’aide d’une sonde optique. Il apparaît que la distribution granulométrique évolue fortement avec la vitesse gaz, et qu’elle est multi-modale, ce qui traduit la présence de plusieurs mécanismes de brisure. La taille moyenne des gouttes décroit globalement comme UG-2, dans la limite de forts nombres de Weber aérodynamique. Cette taille moyenne s’avère aussi très sensible à la géométrie : elle diminue lorsque l’épaisseur gaz augmente jusqu’à atteindre une valeur plancher, et elle croît avec le diamètre liquide.

  • Titre traduit

    Flapping instability of a liquid jet


  • Résumé

    Jet or sheet atomized by a fast coaxial gas jet is currently used in industry, like aeronautical propulsion (turbofan) or spatial propulsion (cryotechnic rocket engine). Many physical processes allows liquid coherent structure fragmentation into drops. Stripping, which appears downstream near injector, has been largely studied (Marmottant et Villermaux 2004, Hong & al 2004), mecanisms has been correctly described.However, the origin of large scale - or 'flapping' instabilities - intervening further downstream, instabilities that are causing the production of large drops, remains poorly understood. This is particularly true for cylindrical jets which, unlike the case of sheets, have been the subject of very few studies. We are therefore committed to understand the origin of the "flapping", to analyze its relationship with interfacial shear instabilities, and to quantify its impact on the structure of the jet as well as on the drops produced. For this, experiments were carried out in water/air on wide set of parameters, both in terms of phasic speed than the dimensions of the gas gap and liquid diameter. Special care were made to the internal flow control.For all the geometries, we showed that the length of the liquid cone is driven by the large scale displacements and not by the stripping process. Furthermore, the length of brokenness jet presents a decline marked with the gas speed, then remains constant beyond a critical gas speed. A model was proposed for this asymptotic behavior in which the break-up length is driven by the report of the liquid injection speed to a capillary speed built on the liquid diameter.Measurement of the frequency of large scale displacement technology has been implemented from images acquired by shadowgraphy proved operational over the gas velocity range considered. This frequency, which varies not spatially, present two behaviors: a first where it increases with the speed of the gas, and a second where it remains independent of the gas speed. This second scheme is not mentioned in the literature. For the original plan, the link between flapping and shear instability has been demonstrated based on analyses of stability. The associated Strouhal number is controlled by the shear gas side. The dependence of the frequency of heartbeat to the thickness of vorticity gas side is thus established when shear instability is driven by an inviscide mechanism. For the second scheme, the opportunistic nature of the flapping has been demonstrated using forcing experience: the flapping amplifies liquid structures of wavelength greater than those associated with shear instability. A Strouhal number built on liquid jet diameter and the speed of the liquid jet at break distance has been proposed. Finally, the ratio of the diameter of the liquid jet at the wavelength of the shear instability seems relevant to define the border between these two regimes.Sizes drops produced on the symmetry axis were measured using an optical probe. It appears that granulometric distribution is evolving strongly with speed gas, and it is multi-modal, reflecting the presence of several mechanisms of brokenness. The average size of the drops decreases overall as UG - 2, in the limit of strong numbers of aerodynamic Weber. This medium size is also very sensitive to geometry: it decreases when the thickness of the gas increases until it reaches a floor value, and it grows with the liquid diameter. Finally, by forcing large amplitude lateral displacement, the average radial distribution of sizes of drops has been made much more homogeneous, and the average size of the drops on the axis has been reduced by a factor of 2. These results therefore open opportunities in terms of control of atomization.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes. Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.