Rôle de la turbulence gazeuse sur la fragmentation liquide – FragTurb

Le dispositif expérimental est constitué d'un atomiseur coaxial bifluide canonique (http://www.legi.grenoble-inp.fr/people/Nathanael.Machicoane/research_data.html). La buse liquide a une longueur de 100 mm, avec un diamètre intérieur d_l=1.98 mm et un diamètre extérieur D_l=3.1 mm. Cette géométrie garantit qu'un écoulement de Poiseuille est pleinement établi avant la sortie de la buse en conditions laminaires, tandis qu'un écoulement de type bouchon pleinement développé est attendu en conditions turbulentes. La buse liquide est placée au centre de la buse gazeuse. La paroi extérieure de la buse liquide et la paroi intérieure de la buse gazeuse forment une cavité qui canalise le gaz vers un plan de sortie annulaire avec un diamètre intérieur D_l et un diamètre extérieur d_g=9.98 mm. Les deux parois présentent une forme de spline cubique, assurant que l'écoulement gazeux est longitudinal à la sortie de la buse. Les fluides de travail sont l'air et l'eau à 25°C.

Les mesures des mécanismes de fragmentation reposent sur de l'imagerie rétroéclairée à haute cadence. Lorsque la vitesse du gaz est trop forte, la déstabilisation intense du jet liquide rend l'écoulement optiquement dense et ces mesures ne sont plus possibles. Nous utilisons alors de l'imagerie rapide par rayons X (radiographie) en synchrotron à l'ESRF. L'imagerie rapide par rayons X en synchrotron n'a été appliquée à l'atomisation coaxiale bifluide que très récemment, malgré quelques tentatives d'imagerie "single-shot" 10 ans plus tôt, avec, en parallèle, un développement très avancé sur des caractérisations des injecteurs diesels. Comparée aux travaux précédents mentionnés, l'étude menée ici présente quelques avantages techniques. Le temps d'acquisition total est beaucoup plus long et sous la forme d'un enregistrement continu d'1 seconde (au lieu de plusieurs enregistrements de 30 ms espacés de 300 ms en raison de problèmes de surchauffe du scintillateur qui absorbe les rayons X et émet de la lumière visible, ce qui permet la prise d'image avec une caméra rapide classique).

Ces mesures sont complétées par de l'anémométrie par fil chaud, de la vélocimétrie par image de particules (vitesses gaz uniquement) et de l'interférométrie laser pour la mesure des 3 composantes de vitesse et des tailles de gouttes dans le spray.

L’identification du rôle clé joué par le swirl (ajout de moment angulaire dans le jet gaz) montre que ce n’est pas juste un paramètre géométrique de l’atomiseur, mais bien un mécanisme physique qui vient profondément modifier la turbulence du jet gaz et donc les mécanismes de fragmentation, ce qui se doit de changer le regard porté sur ce paramètre, qui doit être traité, via le nombre de swirl, à même titre que le nombre de Reynolds et de Weber pour la fragmentation coaxiale. Ensuite, la méthodologie par rayons X en synchrotron a montré que la morphologie de cet écoulement diphasique est très différente des hypothèses des approches de modélisation. Enfin, le comportement du spray formé est maintenant mieux compris, pour des niveaux de turbulence très variés, grâce à l’apport du swirl, et nous avons notamment mis en avant que des approches expérimentales visant à mesurer les caractéristiques du spray prenaient des hypothèses que nous avons démontrées comme étant largement fausses, ce qui amène à mettre en doute certains résultats précédents, et à unifier les études futures.

Les impacts économiques et sociaux sont difficiles à évaluer à ce stade, s’agissant ici d’une étude fondamentale très en amont des applications. Cependant, on peut espérer que la mise en évidence du swirl comme un mécanisme physique et non un paramètre géométrique viendra modifier certaines approches dans les applications.

Les perspectives sont tout d’abord l’étude de la fragmentation turbulente dans la configuration canonique mise en place en fin de projet et dans l’atomiseur plan. Ensuite, le rôle des nombres sans dimension reste à clarifier. Étant multiples et tous plus ou moins pilotés par la vitesse du gaz, il est difficile d’isoler leurs effets. Une piste que nous privilégions actuellement est l’utilisation de liquides cryogéniques, qui permettent de faire varier beaucoup plus librement ces nombres. C’est l’objet de l’ANR CryoSpray. L’amélioration de la méthodologie expérimentale et de la compréhension de la fragmentation ouvre aussi la porte à d’autres thématiques où la fragmentation est couplée à d’autres physiques ; c’est le cas du séchage par spray (avec la rhéologie des suspensions) et de la fragmentation supersonique (avec des ondes de choc). Ceux-ci ont des applications en industrie pharmaceutique, agroalimentaire et manufacturière notamment.

La fragmentation d'une phase liquide par un écoulement gazeux se produit via une cascade de mécanismes couplés. Ce processus est omniprésent dans les applications d'ingénierie qui visent à produire un spray de qualité et se retrouve dans de nombreuses situations naturelles. Au-delà d'un manque de compréhension des couplages, le rôle de la turbulence du gaz dans ces mécanismes n'a pas été étudié en détail. Le projet étudiera la fragmentation assistée par une turbulence gaz d’intensité variable, sur une large gamme de conditions. Le rôle de la turbulence et des couplages dans cette cascade de mécanismes sera établi. Les work packages (WP) 1-3 étudieront respectivement la déstabilisation du liquide, les structures liquides initialement détachées, et les populations de gouttelettes finales. Le WP4 portera sur l'identification des paramètres sans dimension pertinents pour différents régimes afin d'extraire la physique, les lois d'échelle et les modèles relatifs aux processus de fragmentation. Deux configurations d'atomisation, un atomiseur plan et un atomiseur coaxial, seront utilisées pour étudier la cascade de fragmentation avec et sans instabilités à grande échelle. En outre, une expérience fondamentale sera développée pour étudier la fragmentation des nappes et des gouttes liquides par un écoulement gazeux, depuis des écoulements à faible turbulence jusqu'aux écoulements où les fluctuations turbulentes sont uniquement responsables de la fragmentation. Le projet établira un cadre unique pour extraire les physiques couplées de la fragmentation et le rôle critique joué par la turbulence. Des comparaisons entre les deux configurations d'atomisation et l'expérience de fragmentation turbulente seront effectuées afin d'aider à extraire la physique des mécanismes individuels impliqués dans la cascade de fragmentation.

En raison de la forte dépendance des échelles avec les paramètres, les mesures par imagerie utiliseront des résolutions temporelles et spatiales variant dans une large gamme. La nature multi-échelle inhérente au processus sera également abordée par des approches multi-résolution utilisant des caméras à ultra-haute vitesse et des objectifs à grossissement variable. En outre, l'imagerie par rayons X sera exploitée pour étudier l'écoulement diphasique dense formé par la fragmentation turbulente assistée, en complément des mesures en lumière visible. Les populations finales de gouttelettes seront étudiées avec une combinaison d'outils : interférométrie laser, sonde optique à détection de phase Doppler et imagerie. Les prédictions et les lois d'échelle existantes sont souvent contradictoires car elles ne sont basées que sur un ou quelques mécanismes de fragmentation. Ce projet permet d'étudier l'ensemble du processus et la large gamme d'échelles temporelles et spatiales impliquées dans cet écoulement turbulent diphasique, en s'appuyant sur une approche expérimentale multi-échelle et multi-méthode.

Le projet fournira une large base de données ouverte des paramètres de fragmentation, qui pourra servir à la validation d’approches numériques et aider au développement de recherches expérimentales. L'amélioration de la compréhension de la fragmentation turbulente conduira à de nouvelles lois d'échelle fiables et à des modèles physiques avancés, fournissant une description fidèle des processus de fragmentation pour les simulations numériques. Ces outils pourront alors être couplés aux connaissances disponibles sur les autres processus impliqués dans les applications de fragmentation, et ouvriront de nouvelles voies pour le contrôle de la fragmentation. Cela permettra non seulement d'augmenter l'efficacité des processus, mais aussi d'assurer une meilleure fiabilité, avec des impacts économiques, environnementaux et de sécurité. Le contrôle actif des sprays est un outil nécessaire pour des applications telles que la propulsion aéronautique, où il offre un moyen d'assurer le redémarrage des moteurs à haute altitude en cas de pa