Développement de techniques optiques pour la caractérisation de brouillards de gouttes dans les foyers aéronautiques

Development of optical techniques to characterize droplet sprays in aeronautical combustion chambers

• Auteur / Autrice : Jonathan Brettar
• Direction : Pierre Gajan, Christine Lempereur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (Toulouse, Haute-Garonne). Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (DMAE)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Roig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Cayre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Le Moyne, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ecoulement diphasique

Injecteur aéronautique

Particle Image Velocimetry (PIV)

Planar Droplet Sizing (PDS)

Laser Induced Fluorescence (LIF)

Flux volumique

Two-Phase flow

Aeronautical injector

Particle Image Velocimetry (PIV)

Planar Droplet Sizing (PDS)

Laser Induced Fluorescence (LIF)

Volume flux

Résumé

L’optimisation des chambres de combustion est généralement réalisée à l'aide d’outils desimulation numérique. Lorsque le carburant est injecté sous forme liquide, la qualité des simulationsdépend en partie de la définition des conditions aux limites imposées pour cette phase à proximité del'injecteur (diamètre, vitesse et flux volumique des gouttes, vitesse de glissement entre phases). Cesconditions aux limites sont généralement définies à partir d'une analyse expérimentale dans desconditions réalistes d’injection, qui fait appel, dans le meilleur des cas, à l’utilisation del’Anémogranulomètre Phase Doppler (PDA). Cependant, cette technique ponctuelle est coûteuse entemps pour une caractérisation globale de l’injecteur et fournit une mesure des flux volumiques avecdes limitations. Il est également difficile d’accéder à des grandeurs telles que la vitesse de la phasegazeuse en présence des gouttes. Pour répondre à cette problématique, il paraît judicieux de mettre enœuvre des techniques de diagnostic optique spatialement résolues. Cette étude consiste à développer des techniques optiques de champ couplant des approches basées sur la diffusion de Mie, sur l'émission fluorescente des gouttes ou de traceurs et utilisant des algorithmes de type PIV, pour caractériser de manière simultanée et quantitative la granulométrie, la vitesse et le flux volumique de la phase dispersée, ainsi que la vitesse de la phase continue dans les brouillards de gouttes au sein d’une configuration réaliste de foyer aéronautique. Une attentionparticulière est portée à l'étude de la précision de la mesure. Ainsi, des comparaisons sont effectuéesavec des bases de données complètes obtenues à l’aide du PDA. L'analyse de ces résultats estconfrontée aux modèles de l'optique physique régissant les phénomènes de fluorescence et dediffusion de la lumière par des particules à l’aide de simulations. Cette démarche nous permetd'interpréter efficacement les résultats obtenus par imagerie directe et de définir les paramètresd'acquisition et de traitement assurant une précision optimale des mesures.

The optimization of combustion chambers is generally carried out using numerical simulation tools.When fuel is injected in liquid form, the simulation quality depends on the boundary conditionsimposed to this phase close to the injector (diameter, velocity and volume flux of the droplets, slipvelocity between phases). These boundary conditions are usually set from an experimental analysisunder realistic conditions of injection, which in the best case uses Phase Doppler Anemo-granulometry(PDA). However, this point measurement technique is time consuming for an overall injectorcharacterization and provides a measurement of the volume flux with some limitations. It is alsodifficult to access variables such as the velocity of the gas phase in the presence of droplets. Toaddress this problem, it seems appropriate to implement spatially resolved optical diagnostictechniques. This study consists in the development of optical field techniques which combine approaches based onMie scattering, fluorescent emission from droplets or tracers and use PIV algorithms to characterizesimultaneously and quantitatively size, velocity and volume flux of the dispersed phase, and velocityof the continuous phase in droplet sprays in a realistic configuration of aeronautical injector. Aparticular attention is given to the study of the measurement accuracy. Thus, comparisons are carriedout with complete databases obtained with the PDA. The analysis of these results is faced withphysical optics models governing phenomena of fluorescence and light scattering by particles usingsimulations. This approach allows us to effectively interpret the results obtained by direct imaging anddefine acquisition and processing parameters ensuring optimum accuracy.