Etude expérimentale de l'interaction d'une détonation gazeuse avec un spray d'eau

Experimental Study of the Interaction Between a Gaseous Detonation with a Water Spray

• Auteur / Autrice : Geoffrey Jarsale
• Direction : Ashwin Chinnayya, Florent Virot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 12/10/2017
• 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- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Alain Berlemont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Kiyanda, Michel Arrigoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Lazhar Houas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cellulaire (physique)

Instabilités hydrodynamiques

Pression de vapeur

Cinétique chimique

Gaz, Théorie cinétique des

Liquides, Théorie cinétique des

Brumisation

Atomisation

Pulvérisation

Écoulement diphasique

Ondes de détonation

Mots clés libres

Détonation gazeuse

Gaseous detonation

Résumé

Ce projet de thèse expérimentale vise à étudier l'interaction d'une détonation se propageant dans une atmosphère gazeuse réactive ensemencée d'un spray d'eau, au sein d'un tube vertical de 4 m de haut ayant une section carré de 52 mm de côté. Le dispositif permet de mesurer les célérités de propagation de la détonation et les niveaux de pression associée, ainsi que d'analyser la structure cellulaire. La caractérisation du spray d'eau par la méthode PDI a permis d'évaluer le diamètre moyen des gouttelettes à 10 μm. Les densités apparentes de spray peuvent atteindre 200 à 250 g/m³.La première étude a consisté à faire varier la dilution Z en argon de 3 à 28, ainsi que la quantité X d'eau injectée (YH2O pouvant atteindre 15%), dans des mélanges de types C2H4-O2-Zar-XH2O(l). Cette étude a permis de faire varier les longueurs caractéristiques de la détonation par rapport à celles du spray. Deux comportements très différents ont été mis en évidence, suivant la taille plus petite (premier comportement) ou plus grande (deuxième comportement) de la longueur d’induction chimique par rapport à celle de l’atomisation secondaire des gouttelettes, dans les conditions de détonation. Ainsi dans le cas idéal où l’épaisseur hydrodynamique – distance moyenne entre le choc et la surface sonique – englobe l’ensemble des interactions diphasiques, la célérité de détonation sera celle de Chapman-Jouguet diphasique, inférieure au cas purement gazeux. De plus dans le cas du premier comportement, la vapeur issue de la phase dispersée ne participera pas l'agrandissement de la structure cellulaire, a contrario du second.Afin de préciser le mécanisme responsable du deuxième comportement, la seconde étude s'est quant à elle attachée à l'analyse de l'influence du spray par rapport à la régularité de la structure cellulaire de la détonation. Deux mélanges sont ainsi considérés, générant une détonation à structure régulière (C2H4-O2-28Ar-XH2O(l)) ou irrégulière (C2H4-O2-11.286N2-XH2O(l)). Cette étude a confirmé que dans cette configuration, la vapeur d’eau issue de la phase dispersée liquide participe alors à l'agrandissement de la structure cellulaire. Elle a également permis de montrer la plus grande résilience des détonations irrégulières par rapport aux détonations régulières vis-à-vis des pertes pariétales. Il a également été constaté que la perte de régularité de la structure cellulaire liée à l'ajout d'eau est associée à l'augmentation de l'énergie d'activation réduite Ea/RTvn et du facteur de stabilité, expliquant par ailleurs l'apparition d'une sous-structure cellulaire, semblable à celle observée dans les détonations initialement irrégulières. La vapeur d’eau ainsi produite par l’évaporation du spray agit alors comme un diluant inerte en aval du choc incident.

The interaction between a gaseous detonation and a water spray was experimentally studied in a 4 m high vertical detonation tube with a 52 mm by 52 mm square section. Detonation pressure signals, average velocity and cellular patterns were recorded.The spray, produced by an ultrasonic generator and injected at the bottom of the tube, was characterized by the Phase Doppler Interferometry (PDI) method. The spray analysis revealed an average droplet diameter of10 μm with Liquid Water Content (LWC) up to 200-250 g/m3. The first study compared the detonation and spray lengths in stoichiometric CzH4-02-Ar-H20(l) mixtures for argon dilution ranging from 3 to 28 and water mass fraction up to Y ttzo 15%. Two distinct behaviors were revealed, driven by the length of the induction zone compared to the secondary breakup length of the spray droplets. It is found that in the ideal case where the hydrodynamic thickness (representing the average length between the shock and the sonic surface) encompass the endothermic multiphase processes, the experimental detonation velocity is equivalent to the Ideal Chapman Jouguet multiphase velocity, which is lower than the ideal detonation velocity in a dry mixture. Moreover, when the induction length is shorter than the secondary breakup length, the water vapor produced by the droplets breakup is not involved in the cellular structure enlargement.The second study highlighted the influence of the water spray on the cellular structure regularity, by using mixtures of CzH.-02-28Ar-H20(l) and C2H.-02-N2-H20(l) with various equivalence ratio. The experiments show that irregular detonations are more resilient compared to regular ones. Moreover the loss of the detonation regularity generated by the water spray addition and the increase in both the reduced activation energy Ea/RTvn and the stability factor are responsible for the sub-structure generation, similar as the one observed in initially irregular detonation. Furthermore, ZND computations indicated that water mainly 5played a thermal role by diluting the reactive gaseous mixture and seemed to have a limited impact on the kinetic nrocesses.