En vue de l'obtention du

Florian Moreau

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l' Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Dynamique des fluides Présentée et soutenue par Florian Moreau le 29 Novembre 2010 Évaporation et dispersion d'un spray bi-composant dans un écoulement de canal chauffé fortement turbulent Une approche expérimentale JURY Christine Rousselle Présidente Pascale Desgroux Rapporteur Christophe Dumouchel Rapporteur Gérard Lavergne Examinateur Fabrice Lemoine Examinateur Rudy Bazile Directeur de thèse École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés (MEGeP) Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) Directeur de thèse : Rudy BAZILE

• amas


• création d'amas de gouttes


• anémométrie phase


• spray


• goutte iso


• tion de l'écoulement turbulent


• évaporation de gouttelettes bi


• fluorescence laser


• écoulement de canal

Sujets

• Institut national polytechnique de Toulouse
• Moreau
• Bazile
• Lemoine
• Rousselle
• Université de Toulouse
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse
• Lavergne

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 novembre 2010
• Nombre de lectures: 107
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCT ORA T DE L ’UNIVERSITÉ DE T OULOUSE
Déli vré par l’ Institut National Polytechnique de Toulouse
Spécialité : Dynamique des fluides
Présentée et soutenue par
Florian Mor eau
le 29 No v embre 2010
Év aporation et dispersion d’un spray bi-composant
dans un écoulement de canal chauffé f ortement turb ulent
Une appr oche expérimentale
JUR Y
Christine Rousselle Présidente
P ascale Desgroux Rapporteur
Christophe Dumouchel
Gérard La v er gne Examinateur
F abrice Lemoine Examinateur
Rudy Bazile Directeur de thèse
École doctorale : Mécanique, Ener gétique, Génie Ci vil, Procédés (MEGeP)
Unité de r echer che : Institut de Mécanique des Fluides de T oulouse (IMFT)
Dir ecteur de thèse : Rudy B AZILERésumé
Cette étude s’inscrit dans le cadre de la compréhension des phénomènes ayant lieu dans les chambres
de comb ustion aéronautiques. Ces phénomènes étant multiples et comple x es, des simplif cations sont né-
cessaires. L ’étude se focalise uniquement sur l’év aporation de gouttelettes bi-composant en écoulements
turb ulents. De nombreux modèles d’év aporation e xistent mais l’inf uence de la turb ulence dans le cas
d’un spray est encore mal comprise. Alors que la turb ulence augmente l’év aporation d’une goutte iso-
lée, elle peut amener à la création d’amas de gouttes qui v ont au contraire r alentir l’év aporation. Cette
étude a donc pour b ut de fournir un certain nombre de données quantitati v es permettant une meilleure
compréhension de ces phénomènes et une amélioration des modèles.
L ’approche est e xpérimentale. L ’objectif est de quantif er , d’une part l’év aporation et la dispersion
de gouttelettes, d’autre part le mélange v apeur dans un écoulement de canal dont les caractéristiques
seront connues. Af n de simplif er les conditions e xpérimentales, la température est moins éle vée que
dans le cas réel et la pression est la pression atmosphérique. De plus, les gouttelettes sont bi-composant
(octane/3-pentanone).
Le banc utilisé est di visé en deux parties. Sa partie supérieure est composée d’un système de généra-
tion de l’écoulement turb ulent et d’un injecteur de gouttelettes. Sa partie inférieure est composée d’une
v eine dans laquelle l’écoulement diphasique est analysé.
L ’écoulement porteur est étudié sans le spray par Anémométrie Laser Doppler . L ’écoulement pré-
sente une forte turb ulence, des prof ls plats de vitesses mo yennes et de f uctuations de vitesses, en zone
établie. Les propriétés d’isotropie et la décroissance de la turb ulence sont proches de celles obtenues en
turb ulence de grille.
La phase dispersée est sui vie à chaud à l’aide de deux méthodes : par Anémométrie Phase Doppler
et par Fluorescence Laser Induite. L ’Anémométrie Phase Doppler permet d’a v oir accès simultanément
au diamètre et à la vitesse de chaque goutte passant à tra v ers le v olume de mes ure. En raison de la
forte polydispersion, les comportements des gouttelettes vis à vis de la turb ulence sont très dif férents.
En re v anche, l’homogénéisation est rapide quelque soit la classe de taille. La présence d’amas dont la
quantité diminue en a v al dans la v eine est mis en a v ant. La Fluorescence Las er Induite mesure la quantité
de molécules de 3-pentanone en phase liquide. L ’év olution de la concentration liquide, des f ux de masse
et des amas est décrite.
La Fluorescence Induite par Laser permet aussi de sui vre la quantité de 3-pentanone en phase v apeur .
12
L ’év olution des prof ls radiaux et axiaux de concentration mo yenne et des f uctuations de concentration
est présentée. L ’homogénéisation du mélange est quantif ée.Abstract
This w ork aims to understand the phenomena that occur in a comb ustion chamber . Due to the com-
ple xity of the phenomena encountered, simplif cations are made. This study only focuses on multi-
component droplet e v aporation in turb ulent f o ws. Man y e v aporation models e xist, b ut the inf uence
of turb ulence on a spray is yet not well understood. On one hand, turb ulence increases the droplet e v a-
poration rate. On the other hand, it may generate clusters, in which saturation stops the process. This
study aims to gi v e a database that can be used to impro v e the ph ysical understanding of the process and
to impro v e model performances.
This is an e xperimental approach. The objecti v e is to measure e v aporation and dispersion of dro-
plets and v apour mixing in a well-kno wn turb ulent f o w . In the simplif ed test case studied here, the
temperature is lo wer than in a real case and the pressure is atmospheric. The droplets are bi-component
(octane/3-pentanone).
The e xperimental set-up is di vided into tw o parts. The f rst part, at the top, consists in a turb ulence
f o w generator and a droplet injection de vice. The second part is a channel in which the tw o-phase f o w
is analysed.
The carrier f o w is measured using Laser Doppler Anemometry . The main f o w properties are : high
turb ulence le v els, f at prof les for the mean v elocity and v elocity f uctuations . The turb ulence decreases
and isotropic properties are close to those of grid turb ulence.
The dispersed phase is measured using Phase Doppler Anemometry (PD A) and Laser Induced Fluo-
rescence (LIF). The v elocity and diameter of each droplet passing through the measurement v olume is
measured by the PD A technique. There is a lar ge v ariety of droplet beha viours due to the lar ge polydis-
persion and turb ulence. Droplet clusters are measured. Their amounts decrease with the distance from
the injector . The concentration of 3-pentanone can be measured with the LIF technique. The e v olution of
the liquid concentration, mass f ux and droplet clusters is described. The mean v apour concentration and
its f uctuations are measured along the axial and radial axis. The mixing of the v apour is characterised.
34Remer ciements
Je remercie l’ensemble des membres du jury : Christine Rousselle pour a v oir accepté de présider
le jury , P ascale Desgroux et Christophe Dumouchel pour a v oir été rapporteurs de cette thèse et enf n
Gérard La v er gne et F abrice Lemoine pour a v oir e xaminé ce tra v ail. Je les remercie pour leurs critiques
et les discussions que nous a v ons eues, qui ont permis d’enrichir ce tra v ail.
La thèse est une a v enture scientif que mais c’est aussi une a v enture humaine. Je prof te donc de ces
quelques lignes pour remercier tous ceux que j’ai pu côto yer au long de ces années.
Commençons par les personnes qui m’ont accueilli au sein du laboratoire : Jacques Magnaudet, di-
recteur de l’IMFT ; Henri Boisson, directeur adjoint ; Oli vier Simonin, dir ecteur du groupe PSC, et enf n
Rudy Bazile, mon directeur de thèse. Je te remercie Rudy , au delà de notre collaboration scientif que,
pour ton soutien humain inf aillible.
Lorsque l’on f ait une thèse basée sur des e xpériences, on est amené à tra v ailler a v ec beaucoup de
personnes. Sans elles, tout cela aurait souv ent été beaucoup plus compliqué. Je tiens donc à remercier
Doris, Sandrine, Muriel, Catherine, Sylvie, Lionel, Thierry , André et Bruno qui sont indispensables au
bon fonctionnement et à la bonne ambiance du laboratoire et que j’ai eu l’occasion de croiser quasi
quotidiennement.
Merci à Jean-Marc, Laurent et Jean-Pierre de l’atelier , pour leurs conseils, leurs idées et l’ensemble
de leur tra v ail sur le banc e xpérimental. Merci à l’ensemble du personnel du service informatique et en
particulier à Y annick que j’ai le plus côto yé. Merci aux membres du service signaux et images : Jean-
Félix, Hervé pour tes montages électroniques et pour m’a v oir prêté un nombre incalculable de fois ton
matériel, Emmanuel pour tes conseils et tes réglages lasers. Merci Sébastien pour ta bonne humeur , ta
vi v acité d’esprit et tes connaissances enc yclopédiques.
Je remercie l’ensemble des membres du PF A-ASTRA et en particulier ceux a v ec qui j’ai eu l’occa-
sion de collaborer étroitement : V ir ginel Bodoc, Yv es Biscos, Mikael Orain et Gérard La v er gne.
Je remercie aussi les membres du groupe PSC. Ce groupe est déf niti v ement un endroit très agréable
pour f aire une thèse. Florence, j’ai beaucoup apprécié ton sourire et ta protection en particulier quand
j’en a v ais besoin en f n de thèse, après un report de la soutenance à cause de grèv e des transports puis de
la neige... Gérard, ton e xpérience en mécanique et tes idées inépuisables ont permis d’arri v er à adapter
la manip’. Le groupe v a perdre beaucoup lors de ton départ prochain à la retraite. Enf n Moïse ; ta dis-
ponibilité es