Fragmentation aérodynamique d’une goutte liquide induite par une onde de choc plane

Shock-Induced Aerodynamic Fragmentation of a Liquid Droplet

• Auteur / Autrice : Luc Biasiori-Poulanges
• Direction : Ashwin Chinnayya, Hazem El-Rabii
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Yves Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tim Colonius, Outi Supponen, Ludovic Hallo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Zaleski, Jean-Philippe Matas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tubes à choc

Simulation par ordinateur

Sillage (dynamique des fluides)

Ondes de choc

Instabilités hydrodynamiques

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Gouttes

Écoulement polyphasique

Cavitation

Mots clés libres

Fragmentation aérodynamique

Acoustique géométrique

Diagnostics optiques

Aerodynamical fragmentation

Geometrical acoustics

Optical diagnostics

Résumé

Ce travail de thèse propose une description originale de la fragmentation aérodynamique d’une goutte d’eau, induite par une onde de choc plane, pour des régimes à la frontière entre les modes gouvernés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor et ceux dominés par l’instabilité de Kelvin-Helmholtz. Un banc expérimental composé d’un tube à choc couplé à des diagnostics d’imagerie rapide est exploité pour caractériser les processus de fragmentation. Les résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques réalisées à partir du code multiphasique compressible open-source ECOGEN. L’effet de l’onde de choc sur la goutte est évalué grâce à une modélisation théorique basée sur l’acoustique géométrique permettant de décrire la dynamique spatio-temporelle des réflexions d’onde à l’intérieur de la goutte et de prédire le lieu des points de plus haute densité d’énergie. Le champ de pression est résolu à partir de simulations numériques qui indiquent que la tension de rupture de l’eau est atteinte pour une onde de choc évoluant à un nombre de Mach de 1.7. Dès lors, un processus de cavitation dont les conséquences sur la dynamique de la fragmentation pourraient être significatives, est possible. Concernant la dynamique interfaciale, les expériences comme les simulations révèlent le développement d’une perturbation azimutale transverse à l’origine d’une structure ligamentaire périodique. Une analyse de Fourier des résultats numériques 3-D suggère que l’initiation de cette déstabilisation est indépendante des effets capillaires, à l’inverse de sa croissance. La dynamique ligamentaire apparaît être un processus cyclique dont la fréquence est celle du lâché de vortex dans le sillage del a goutte. Ce schéma récurrent cesse après quatre cycles. Il s’en suit alors la perte de l’intégrité structurelle du corps résiduel de la goutte des suites du développement d’une cavité gazeuse, dans le liquide, qui agit comme une région de fragilité et donc, facilite la fragmentation.

This thesis proposed a groundbreaking description of the shock-induced aerodynamic fragmentation of a water droplet at the transition of the Rayleigh-Taylor Piercing and the Shear-Induced Entrainment regimes. An experimental facility consisting of a shock tube and high-speed imaging diagnostics is used to investigate the fragmentation processes. Experimental results are supported with numerical simulations performed with the open-source code ECOGEN dedicated to multiphase compressible flows. The shock wave effect on the droplet is assessed by a theoretical modelling based on geometrical acoustics which allows for the description of the wave spatio-temporal dynamics and enables to predict the time-dependent location of the highest energy density. Pressure fields are determined using numerical simulations. It appears that the water tensile rupture is reached for a shock wave Mach number of 1.7 from which bubble cloud cavitation may occur by causing signification changes in the fragmentation dynamics. As regards to the interfacial dynamics, both experiments and numerical simulations show the development of a transverse azimutal modulation resulting in the periodic ligament structure at the droplet surface. Contrary to the modulation growth, its initiation seems to be independent of the capillary effects as revealed by a Fourier analysis of the 3-D numerical results. The ligament dynamics is a cyclic process driven by the vortex shedding process in the wake of the droplet. Four cycles have been observed before the residual droplet core breaks up owing to the growth of an air cavity inside the droplet that acts as weak spot, and thus facilitating the droplet split-off.