Développement d'un système de granulométrie par imagerie : application aux sprays larges et hétérogènes
par Nicolas Fdida
Thèse de doctorat en Physique. Énergétique
Sous la direction de Jean-Bernard Blaisot.
Soutenue en 2008
à Rouen .
mots clés-
Résumé
L'optimisation de l'injection du carburant dans un moteur automobile sous la forme d'un spray consiste à augmenter la surface d'échange entre le carburant et l'air, essentiels à la combustion. La mesure de la granulométrie d'un spray permet de caractériser le comportement des sprays. Certains systèmes font l'hypothèse que les gouttes sont sphériques, ce qui n'est pas toujours le cas. Un sytème de mesure par imagerie a été développé dans cette étude, qui permet de s'affranchir de la connaissance de la forme de la goutte. Une procédure d'étalonnage du système a été mise en place à partir d'un modèle d'imagerie développé au laboratoire. Celui-ci tient compte des paramètres de l'image de la goutte pour calculer sa taille et estimer son défaut de mise au point. L'étalonnage permet de définir rigoureusement un volume de mesure du système d'imagerie. La quantification de la forme des gouttes est réalisée par la détermination de paramètres morphologiques sur les images de gouttes. Des modèles d'objets de forme proche de celles que l'on peut rencontrer lors du processus de rupture du liquide sont utilisés, de façon à associer des régions dans l'espace des paramètres de forme aux familles de formes particulières d'éléments liquides (ligaments, sphères, ovoïdes. . . ) La vitesse des gouttelettes est aussi mesurée à partir des images. La méthode utilisée est le suivi de particules, qui consiste à apparier deux champs de particules aux instants t et t+dt. Le système ainsi développé est appliqué à la caractérisation de sprays d'injecteurs essence haute et basse pression. Les mesures du système d'imagerie sont comparées avec celles obtenues par un granulomètre par diffraction et un Analyseur de Particules Phase Doppler. Une attention particulière a été portée sur les volumes de mesure de chaque technique pour comparer la granulométrie de chaque échantillon de gouttes. Un bon accord est obtenu entre les trois techniques. La caractérisation morphologique permet de compléter l'analyse granulométrique et ainsi d'étudier les processus de rupture rencontrés dans ces sprays.
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Titre traduit
Developpement of a drop sizing imaging technique : applicated to wide and heterogene sprays
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Résumé
In many industrial applications, a given mass of a liquid is sprayed by an injector in a carrier gas in order to optimize the combustion by increasing the liquid-gas interface area. The characteristics of a spray are often given by the measurement of the drop size distribution. The underlying hypothesis is that all liquid elements are spherical. Of course, this case is not the rule and could only occur at end of the evolution of the spray. We develop in this study a shadow imaging system to measure the drop size independently from the drop shapes. A calibration procedure is described, based on an imaging model developed in our laboratory. This model takes into account image parameters of the drop to measure his size and to estimate his level of defocus. The goal of this calibration procedure is to define the measurement volume of the imaging system. A tool based on the characterization of the shape of the drops is proposed. Morphological criteria are defined to classify droplets, which belong to different kind of shape families such as spherical, elliptical and Cassini oval families. The introduction of the Cassini oval family shows a better description of liquid elements during the atomization process. This original approach underlines a segmentation of the shapes between ligaments, spherical droplets or ovoids. The velocity of the droplets is also investigated with this imaging system. For that purpose, a method of Particle Tracking Velocimetry (PTV) has been developed. It consists in matching pairs of droplets in a couple of images recorded at two successive times. The imaging system have been used to characterize gasoline sprays produced gasoline injectors of indirect and direct injection types. The drop size is compared with those given by two other drop sizing techniques : a phase Doppler anemometer and a laser diffraction granulometer. Attention was paid on the differences in the measurement volumes of the different techniques in order to compare the drop sizes given by each technique.
