Approche expérimentale de l'évaporation de sprays de combustibles multicomposant, Experimental approach of the evaporation of multicomponent fuel sprays

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Sous la direction de Fabrice Lemoine
Thèse soutenue le 19 octobre 2009: INPL
Des diagnostics optiques non intrusifs ont été utilisés afin d’investiguer les mécanismes gouvernant l’évaporation de trains de gouttes en interaction ou de sprays. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser à deux couleurs (2cLIF) du pyrrométhène 597-8C9 ensemencé en très faible concentration dans le liquide à étudier a été développée pour obtenir la température moyenne de gouttes combustibles mono et bicomposant (alcanes, alcool, cétones) évoluant dans un train de gouttes monodisperse. En parallèle, l’évolution du diamètre des gouttes a été déterminée par interférométrie en diffusion avant. L’évolution temporelle de la température et du diamètre des gouttes en évaporation a été mesurée pour une large gamme de paramètres d’injection et d’interaction. Plusieurs combustibles présentant différentes volatilités ont ainsi été étudiés dans une chambre d’évaporation. Les paramètres caractérisant les transferts de chaleur et de masse représentés par les nombres de Nusselt et de Sherwood, intervenant dans le mécanisme d’évaporation des gouttes en interaction, ont été calculés à partir des données expérimentales, ce qui a permis la caractérisation de l’influence des interactions entre gouttes sur les transferts, en mettant en évidence un effet notable de la volatilité du combustible. Ensuite la technique de 2cLIF a été étendue à la mesure de la température moyenne d’un spray de gouttes binaires composées d’un mélange n-décane / 3-pentanone et injecté dans un écoulement turbulent chauffé. Le développement d’une technique de couplage de la technique LIF avec la granulométrie phase Doppler (PDA) a permis la mesure de températures par classe de taille de goutte
-Spray
-Température
-Fluorescence induite par laser
-Gouttes
-Diagnostics optiques
-Evaporation
-Interaction
-Multicomposant
Non intrusive optical diagnostics are used in order to investigate the mechanisms that govern the droplets evaporation. A new technique based on 2-colours laser-induced fluorescence (LIF) of the pyrromethene 597-8C9 was developed to obtain the mean temperature of evaporating bicomponent fuel droplets in a linear monodisperse droplet stream. In parallel size evolution of the droplet was measured thanks to forward scattering methods. Data on evaporating and interacting droplet streaming linearly have been collected for different injection parameters and several monocomponent fuels (alcohol, ketones, alkanes) that exhibit different volatilities and bicomponent fuels (mixture of n-decane and 3-pentanone), in a temperature controlled evaporation chamber. Heat and mass transfers parameters (Nusselt and Sherwood numbers) involved in the evaporation process of interacting droplets are inferred from the experimental data. The result exhibits a strong influence of the volatilities of the fuel on the effect of the interaction on heat and mass transfers. Then the 2-colours LIF technique was extended to measure the mean temperature within a spray made of bicomponent droplets (n-decane / 3-pentanone), injected in a hot air flow where the turbulence and boundary conditions are controlled. By means of a coupling with the PDA (Particle Dynamic Analyser), temperature for each size of droplets was determined
-Spray
-Evaporation
-Interaction
-Optical diagnostics
-Temperature
-Multicomponent
-Laser induced fluorescence
-Droplets
Source: http://www.theses.fr/2009INPL060N/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
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Approche expérimentale de l’évaporation de sprays de combustibles multicomposant
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Ecole Doctorale EMMA

THÈSE

Présentée pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine

Spécialité : Mécanique et Energétique

Par

Valérie DEPREDURAND


APPROCHE EXPERIMENTALE DE L’EVAPORATION DE
SPRAYS DE COMBUSTIBLES MULTICOMPOSANT

Soutenue publiquement le 19 octobre 2009 devant la commission d’examen composée
de :


Rapporteurs : M. Sergei SAZHIN Professeur, Université de Brighton, Brighton
M. Gérard LAVERGNE Directeur de recherche, ONERA, Toulouse
Examinateurs : M. Gérard GREHAN* Directeur de recherche, CNRS, Rouen
M. Frédéric GRISCH Maître de recherche, ONERA, Palaiseau
M. Cameron TROPEA Professeur, TUD, Darmstadt
M. Fabrice LEMOINE Professeur, ENSEM, Nancy
M. Guillaume CASTANET Chargé de Recherches, CNRS, LEMTA, Nancy
* Président du jury




Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
CNRS UMR 7563
2, avenue de la Forêt de Haye BP 160
54504 Vandoeuvre-Les-Nancy
1 Président du jury :
Gérard Gréhan, Directeur de recherche, CNRS
LESP, UMR 6614/CORIA - CNRS Université et INSA de Rouen
Avenue de l’Université, BP 12
76801 Saint Etienne Du Rouvray
France
Tél : +33 (0)2 32 95 36 29
Mél : gerard.grehan@coria.fr
Rapporteurs :

Sergei Sazhin, Professeur, Université de Gérard Lavergne, Directeur de recherche,
Brighton ONERA
School of Engineering ONERA/DMAE
University of Brighton Avenue Edouard Belin
Cockcroft building, Lewes road 31055 Toulouse
Brighton, BN2 4GJ France
United Kingdom Tél : +33 (0)1 69 93 61 76
Tél : +44 (0) 1273 642677 Mél : frederic.grisch@onera.fr
Mél : S.Sazhin@brighton.ac.uk


Examinateurs :

Frédéric Grisch, Maître de recherche, ONERA Cameron Tropea, Professeur, TUD
ONERA/DMPH Fachgebiet Strömungslehre und
Fort de Palaiseau Aerodynamik
91761 Palaiseau cedex TUD
France Petersenstraße 30
Tél : +33 (0)1 69 93 61 76 64287 Darmstadt
Mél : frederic.grisch@onera.fr Germany
Tél : +49 (0) 6151 16 2854
Mél : ctropea@sla.tu-darmstadt.de
Guillaume Castanet, Chargé de recherches
CNRS
LEMTA
2 Avenue de la Forêt de Haye
BP 160
54504 Vandoeuvre les Nancy
France
Tél : +33 (0)3 83 59
Mél : guillaume.castanet@ensem.inpl-nancy.fr


Directeur de thèse :

Fabrice Lemoine, Professeur, ENSEM
LEMTA
2 Avenue de la Forêt de Haye
BP 160
54504 Vandoeuvre les Nancy
France
Tél : +33 (0)3 83 59
Mél : Fabrice.lemoine@ensem.inpl-nancy.fr



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4 Approche expérimentale de l’évaporation de sprays de combustibles multicomposant
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REMERCIEMENTS


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Remerciements
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REMERCIEMENTS

Je tiens à exprimer ma gratitude à toutes les personnes qui ont contribué au bon
déroulement de cette thèse au sein du LEMTA : doctorants, maîtres de conférence,
professeurs, techniciens, secrétaires, etc.

Dans un premier temps, je souhaite remercier Fabrice Lemoine, Professeur à
l’ENSEM, pour m’avoir fourni un sujet aussi ouvert, riche et varié sur le plan
scientifique. La qualité de son encadrement et son enthousiasme m’ont guidée dans le
domaine très large de l’étude des « gouttes ». Je tiens aussi à lui témoigner toute ma
reconnaissance pour la confiance et le soutien qu’il m’a accordé durant ces trois
années de recherches, pour le partage de ses connaissances qui alliées à sa rigueur
scientifique et à son dynamisme ont contribué à produire ces travaux.

Ensuite, je témoigne toute ma reconnaissance aux personnes qui ont accepté de
consacrer une partie de leur emploi du temps à la lecture de mon mémoire, Sergei
Sazhin, Professeur à l’université de Brighton et Gérard Lavergne, directeur de
Recherche à l’ONERA à Toulouse, ainsi qu’aux autres membres du jury qui se sont
déplacés pour ma soutenance, Cameron Tropea, professeur à l’Université
Technologique de Darmstadt, Gérard Gréhan, directeur de recherche au CNRS à
Rouen, Guillaume Castanet chargé de recherches au CNRS à Nancy et Frédéric
Grisch Maître de recherche à l’ONERA à Palaiseau

Je tiens à remercier Mikael Orain avec qui j’ai travaillé de manière intense, pendant
six semaines à l’ONERA Palaiseau, pour m’avoir aidée à « abattre » beaucoup de
travail en un temps restreint ! Merci également à Frédéric Grisch d’avoir permis cette
collaboration et pour m’avoir accueillie dans son équipe à Paris.

Une attention particulière à toute l’équipe du laboratoire d’électronique Alain
Delconte pour ces prouesses informatiques dans le développement de petits logiciels
bien pratiques pour faciliter le travail, Michel Marchand pour m’avoir dépannée plus
d’une fois lors de défaillances électroniques, et toute l’équipe du laboratoire de
Mécanique de l’ENSEM pour m’avoir construit mon banc d’expérimentation mais aussi
pour leur aide en cas d’imprévus, leur disponibilité et leur gentillesse.

Merci à tous mes collègues Petre Miron pour sa bonne humeur et sa simplicité,
Christophe Maqua, pour le passage de flambeau, à Guillaume Castanet pour le
développement des codes de calculs et de simulations qui représentaient pour moi un
« challenge numérique » mais aussi pour ses nombreux conseils, à Alexandre
Labergue pour sa bonne humeur.

6 Approche expérimentale de l’évaporation de sprays de combustibles multicomposant
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Un grand merci à Ophélie Caballina, maître de conférence à l’ENSEM pour
« m’avoir prise sous son aile » en tant que monitrice, pour ses conseils en pédagogie,
ses connaissances en mécanique des fluides, sa disponibilité, sa gentillesse et son
écoute.

Un petit clin d’œil à Julia Mainka, complice lors de nos longues heures
d’encadrement de TP.

Je ne saurai oublier les membres du projet ASTRA qui m’ont accordée leur
attention au gré de cette collaboration de trois années.

Merci à tous ceux qui m’ont permis de passer d’agréables moments durant ma
thèse et que je n’aurais pas nommé.

Enfin, je remercie tous mes proches et amis pour leur soutien et leurs
encouragements. En particulier merci à mes parents, mes frères et Matthieu qui savent
être là quand j’en ai le plus besoin.
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8 Approche expérimentale de l’évaporation de sprays de combustibles multicomposant
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