Mécanismes d'atomisation liquide : vers les sprays rapides – Cryospray

La déstabilisation d’un jet liquide en spray par un courant gaz rapide est au cœur de nombreuses applications, en particulier liées à la propulsion (turboréacteurs, moteurs fusées par exemple). Cependant, les modèles et simulations numériques existant pour dimensionner ces systèmes ont été élaborés loin des conditions applicatives, et ne décrivent pas correctement les mécanismes de fragmentation en conditions fortement turbulentes ou pour des faibles tensions de surface. Afin de résoudre cette difficulté, ce projet a pour but l’étude expérimentale et numérique des instabilités de jet et de la formation de spray en conditions cryogéniques, où les nombres sans dimension pertinents, nombres de Reynolds pour le caractère turbulent, nombre de Weber pour les effets de tension de surface, atteignent des valeurs au moins deux ordres de grandeur au-dessus de ceux de la littérature.

L’étude expérimentale sera portée par le CEA SBT et l’institut Néel, tous deux spécialistes des écoulements cryogéniques. Le CEA fournira un cryostat pour une expérience en Helium liquide/gazeux, cryostat quasi opérationnel. Une expérience plus versatile en azote liquide/gazeux sera construite à l’institut Néel, avec l’aide des expérimentateurs du LMFA et du LEGI. Les géométries d'injecteur étudiées seront définies en accord avec le CNES, qui a accepté de jouer le rôle d'expert sur ce projet. Elles inclueront en particulier une géométrie à liquide central swirlé, utilisée dans les applications spatiales de type LOX/CH4. Les expériences utiliseront une stratégie de surchauffage de la vapeur/surrefroidissement du liquide, que nous exposons précisément dans notre projet, afin de contourner les difficultés liées au changement de phase rencontrées par les études passées. Au-delà de la simple visualisation, plusieurs méthodes plus précises seront mises en oeuvre en parallèle afin de caractériser les sprays: anémométrie phase Doppler, sonde optique à détection de phase, holographie.

Pour le volet numérique nous utiliserons un code de mécanique des fluides ayant fait ses preuves pour les écoulements diphasiques dans les applications industrielles (YALES2, utilisé au LEGI depuis de nombreuses années), mais aussi la méthode Boltzmann sur réseau (LMFA), totalement différente et plus originale sur la fragmentation. Cette seconde méthode permettra d’introduire la modélisation physique à une échelle plus petite que les méthodes classiques recourant à une modélisation sous-maille, et pourrait ouvrir de nouvelles perspectives. Elle a été récemment testée sur des configurations similaires avec succès. Le fait de recourir à des fluides cryogéniques permet par ailleurs de contourner la difficulté introduite par le rapport de densité du cas eau/air dans les simulations.

Une fois validés par nos données expérimentales, ces codes pourront être utilisés plus largement pour prédire la fragmentation pour les conditions des applications. Ils permettront d’améliorer ces processus, mais aussi de limiter leur impact écologique en limitant les imbrulés (émissions de NOx). Nos expériences permettront également de fournir une importante base de données à des conditions de nombre de Weber et Reynolds élevé, mais rapport de densité modéré. Couvrir une gamme beaucoup plus large de paramètres physiques permettra d’unifier ou d’invalider les prédictions et lois d'échelles actuellement proposées dans les modèles d’instabilité de jet et de fragmentation. Afin d’atteindre cet objectif, notre consortium réunit des experts reconnus internationalement en instabilité de jet et atomisation (PI au LMFA, LEGI), cryogénie (CEA et Institut Néel), optique (L. Mées at LMFA) et méthodes expérimentales et numériques pour les milieux diphasiques (LMFA et LEGI).