Morphologie, statistique et dynamique temporelle de la rupture d'un jet liquide en atomisation assistée

Morphology, statistics, and time dynamics of the liquid jet breakup in coaxial two-fluid atomization

• Auteur / Autrice : Oliver Tolfts
• Direction : Nathanaël Machicoane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rimbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Matas, Alberto Aliseda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Turbulence

Fragmentation

Mots clés libres

Fragmentation

Écoulements turbulents diphasiques

Atomisation

Spray

Spray

Atomization

Two-Phase turbulent flows

Fragmentation

Résumé

Nous nous intéressons à la rupture d'un jet liquide dans le cas de l'atomisation assistée en géométrie coaxiale, une situation commune à de nombreux procédés industriels. Un écoulement diphasique complexe avec une large gamme d’échelles temporelles et spatiales est observé dans le champ proche, impliquant différents mécanismes de rupture définissant différents régimes d'atomisation.À l’aide d’imagerie haute fréquence rétro-éclairée nous nous intéressons au cœur liquide, défini comme la portion de liquide hydrauliquement connecté à l’injecteur, en étudiant les séries temporelles de son extension longitudinale Lb sur une grande gamme de paramètres. Nous démontrons que la fonction de densité de probabilité de Lb peuvent être représentées par une fonction gaussienne asymétrique et que le paramètre d'asymétrie contient une signature des changements de régimes d'atomisation. La dynamique temporelle de Lb est régie par l'écoulement gazeux, avec des temps caractéristiques suivant une loi d'échelle en 1/Reg et une faible influence de la transition à la turbulence du jet liquide.Pour les vitesses de gaz élevées, l'écoulement diphasique sortant de l'injecteur est optiquement dense et ne peux être observé par imagerie visible. Pour augmenter la gamme des vitesses de gaz que nous pouvons étudier, nous utilisons la radiographie haute fréquence à rayons X produits par un synchrotron. Cette technique d'imagerie pénétrante nous permet d'observer différents états de la morphologie du cœur liquide durant sa rupture et d'établir le diagramme de phase associé sur une large gamme de paramètre d’injection. Nous avons observé deux nouvelles morphologies et expliquons les transitions à l’aide d’arguments simples sur l’équilibre des énergies cinétiques de chaque phase. Une méthode de détermination de la quantité de liquide à partir des radiographies est présentée et permet de caractériser quantitativement les morphologies du jet liquide.

We are interested in the breakup of the liquid jet in the case of coaxial two-fluid atomization, a canonical breakup situation found in many natural and engineering phenomena. The breakup process is a complex two-phase flow displaying a broad range of time and spatial scales, involving different physical mechanisms that define various atomization regimes.Using high-speed backlit imaging, we study the liquid core, defined as the liquid portion hydraulically connected to the injector, focusing on the time series of its longitudinal extent Lb on a broad parameter space. We demonstrate that the associated statistical distributions can be represented by a skew-Gaussian function and that the skewness contains a signature of changes in atomization regimes. We show that the temporal dynamics of the liquid core length are governed by the gas jet, with time scales scaling with 1/Reg, and presenting a weak influence of the turbulent state in the liquid jet.For high gas velocities, the two-phase flow exiting the injector is optically dense to visible light. To increase the range of gas velocity we can study, we perform time-resolved phase contrast radiography using synchrotron-produced X-rays. With this penetrative imaging technique, we can observe different states of the morphology of the liquid core during its breakup and establish the associated phase diagram. Two new morphologies are highlighted thanks to the broad sampling of the parameter space, and transitions are explained by simple kinetic energy balance arguments. A method is presented to extract liquid quantity from radiographs and quantitatively define the liquid core morphologies.