Étude expérimentale de l'évaporation à haute température de gouttes de combustible en régime de fortes interactions à l'aide de méthodes optiques PDF Download
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Book Description
L'étude des transferts de chaleur et de masse lors de l'évaporation de gouttes en mouvement et en interaction est un domaine complexe à cause des nombreux phénomènes en jeu. Les principaux paramètres influençant l'évaporation ont pu être étudiés indépendamment grâce à l'utilisation de diagnostics optiques de mesure non-intrusifs sur un train de gouttes monodisperse. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs a été développée afin d'obtenir la température moyenne de gouttes de combustible mono et multicomposant. Afin de supprimer l'effet optique parasite engendré par des résonances morphologiquement dépendantes, un absorbeur non fluorescent a été ensemencé à faible concentration. L'évolution de la vitesse et de la taille des gouttes ont été investiguées grâce à une technique par ombroscopie quantitative qui permis la mesure très précise des taux d'évaporation. Une enceinte à haute température a été conçue afin de générer des conditions ambiantes maitrisées et propices à la formation d'une forte évaporation. Ainsi, les nombres de Nusselt et Sherwood ont été déterminés expérimentalement pour plusieurs combustibles dans diverses conditions d'injection. L'étude sur différents combustibles et à différentes températures d'injection a confirmé l'influence de la volatilité du combustible sur les transferts. L'influence du nombre de Reynolds a aussi été mise en évidence. L'étude de gouttes multicomposant a permis de montrer différentes phases d'échauffement et d'évaporation lors du temps de transit de la goutte liées aux différences de volatilité des combustibles du mélange. Les effets de différentes compositions ont aussi été investigués.
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L'étude des transferts de chaleur et de masse lors de l'évaporation de gouttes en mouvement et en interaction est un domaine complexe à cause des nombreux phénomènes en jeu. Les principaux paramètres influençant l'évaporation ont pu être étudiés indépendamment grâce à l'utilisation de diagnostics optiques de mesure non-intrusifs sur un train de gouttes monodisperse. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs a été développée afin d'obtenir la température moyenne de gouttes de combustible mono et multicomposant. Afin de supprimer l'effet optique parasite engendré par des résonances morphologiquement dépendantes, un absorbeur non fluorescent a été ensemencé à faible concentration. L'évolution de la vitesse et de la taille des gouttes ont été investiguées grâce à une technique par ombroscopie quantitative qui permis la mesure très précise des taux d'évaporation. Une enceinte à haute température a été conçue afin de générer des conditions ambiantes maitrisées et propices à la formation d'une forte évaporation. Ainsi, les nombres de Nusselt et Sherwood ont été déterminés expérimentalement pour plusieurs combustibles dans diverses conditions d'injection. L'étude sur différents combustibles et à différentes températures d'injection a confirmé l'influence de la volatilité du combustible sur les transferts. L'influence du nombre de Reynolds a aussi été mise en évidence. L'étude de gouttes multicomposant a permis de montrer différentes phases d'échauffement et d'évaporation lors du temps de transit de la goutte liées aux différences de volatilité des combustibles du mélange. Les effets de différentes compositions ont aussi été investigués.
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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.
Author: Olivier Adam Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 144
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Cette étude concerne une expérience fondamentale sur les jets denses de gouttes et se situe dans le domaine de la recherche sur les écoulements internes diphasiques des chambres de combustion. Les sparys en combustion mettent en jeu de nombreux phénomènes physqiues complexes tels que les interactions entre phases, les interactions entre les gouttes, l'évaporation et la combustion ds gouttes. Pour améliorer la modélisation d'un spray dense en combustion, une étude expérimentale a été réalisée afin d'obtenir une base de données sur le coefficient de traînée et le processus d'évaporation en fonction de l'espacement entre les gouttes. Le banc de mesure est équipé d'un injecteur à orifice vibrant qui produit un jet de gouttes monodisperses. Un déviateur électrostatique permet d'augmenter la distance entre les gouttes de 3 à 40 diamètres. Le jet de gouttes est exploré à l'aide de méthodes optiques non intrusives fondées sur l'interférométrie laser. Le système de mesures optiques fournit une base de données sur l'évolution du diamètre, de la vitesse et de la température des gouttes en fonction de la distance entre les gouttes. Sous des conditions non réactives les mesures ont permis d'obtenir une nouvelle corrélation du coefficient de traînée en fonction du nombre de Reynolds particulaire et de la disatnce entre les gouttes. Cette nouvelle corrélation a été introduite dans un code de calcul de dynamique des fluides pour simuler l'écoulement interne dans une maquette à gaz froid du propulseur solide d'Ariane V. Les comparaisons entre les résultats numériques et expérimentaux sur la même configuration montrent que les trajectoires des gouttes sont alors correctement calculées. En combustion la corrélation précédente a été modifiée. Le facteur correctif du taux de combustion défini par Labowsky a été évalué à partir des données expérimentales. Il permet de prendre en compte les effets d'interaction entre gouttes sur le taux de combustion d'une goutte isolée.
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[Résumé en français] Des diagnostics optiques non-intrusifs sont développés afin d’améliorer la compréhension des phénomènes d’évaporation de gouttes de combustible multicomposant. La configuration simplifiée retenue est un jet linéaire de gouttes monodispersées. L’évaporation est réalisée soit à la température ambiante, soit à des températures plus élevées de l’ordre de 500°C. Le combustible utilisé est composé d’éthanol et d’acétone, dont les volatilités sont très différentes. Deux nouvelles techniques de mesures fondées sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) ont été développées au cours des ces travaux. La première, la LIF à trois couleurs permet de mesurer la température moyenne de gouttes binaires. La deuxième exploite la fluorescence émise par l’acétone excitée par un rayonnement laser à 266 nm afin de déterminer la composition instantanée du mélange. Les résultats expérimentaux ont été comparés à un modèle à composants discrets utilisant une approche 1D quasi-stationnaire
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST DE POURSUIVRE LA MISE AU POINT D'UN MODELE NUMERIQUE INITIE AU L.M.A.I. POUR SIMULER LE PHENOMENE D'EVAPORATION D'UNE OU PLUSIEURS GOUTTES EN INTERACTION FORMEES DE LIQUIDES PURS OU DE MELANGES. LA THEORIE DU FILM EST UTILISEE POUR LA MODELISATION DES TRANSFERTS AU SEIN DE LA PHASE GAZEUSE ET LES EQUATIONS DE TRANSFERTS DE CHALEUR ET DE MASSE POUR LA MODELISATION DES CHAMPS THERMIQUES ET MASSIQUES DANS LA GOUTTE. LA DETERMINATION NECESSAIRE DES EXPRESSIONS DONNANT LES NOMBRES DE NUSSELT ET DE SHERWOOD QUI TRADUISENT CES TRANSFERTS, SE FAIT GRACE A LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE LA COUCHE LIMITE. LE PHENOMENE D'INTERACTION ENTRE GOUTTES EN EVAPORATION PEUT SE TRADUIRE PAR L'AJUSTEMENT DE LA VALEUR DES NOMBRES DE NUSSELT ET DE SHERWOOD MOYENS. LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL ELABORE EN PARALLELE, SE COMPOSE ESSENTIELLEMENT D'UNE SOUFFLERIE THERMIQUE CAPABLE DE CREER LES CONDITIONS EXPERIMENTALES (TEMPERATURE ET VITESSE) REQUISES, ET D'UN APPAREILLAGE DE MESURES (CAMERA VIDEO : MESURE DE LA REGRESSION DU RAYON ET CAMERA INFRAROUGE : MESURE DE LA TEMPERATURE DE SURFACE). LA OU LES GOUTTES DE LIQUIDES PURS OU EN MELANGES (HEPTANE, DECANE, HEXANE, OCTANE) SONT SUSPENDUES A DES CAPILLAIRES EN VERRE. LE MODELE NUMERIQUE EST VALIDE PAR RAPPORT AUX RESULTATS DE LA LITTERATURE PUIS PAR RAPPORT AUX PRESENTS RESULTATS EXPERIMENTAUX. LA COMPARAISON EST SATISFAISANTE ET MONTRE LA CAPACITE DU MODELE A PREDIRE L'EVAPORATION D'UNE GOUTTE DE LIQUIDE PUR OU DE MELANGE DE CARBURANTS A BASSES ET A HAUTES PRESSIONS, ISOLEES OU EN INTERACTION. L'ORIGINALITE DU TRAVAIL RESIDE DANS L'ELABORATION D'UNE METHODE SEMI-EXPERIMENTALE POUR LA QUALIFICATION ET LE DEPOUILLEMENT DES MESURES EN CONVECTION FORCEE ET POUR LA DETERMINATION DES VALEURS DE L'EMISSIVITE DES PRODUITS UTILISES.
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L'évaporation d'une goutte sur une paroi de température supérieure à la température d'ébullition du liquide est un problème complexe caractérisé par de forts couplages entre l'hydrodynamique et les transferts thermiques. L'un des paramètres primordiaux est la température de la paroi. Pour des températures modérées, la goutte s'évapore tout en restant en contact avec la paroi. En augmentant la température, on observe l'apparition de bulles à la surface solide qui sont la manifestation d'ébullition nucléée. Au-delà d'un certain seuil de température, l'évaporation est suffisamment forte pour que la goutte lévite au-dessus de la paroi, sur un coussin de vapeur de faible épaisseur qui est le lieu de forts transferts thermiques. C'est le phénomène de Leidenfrost. Ces différents régimes traduisent une diversité des interactions entre la goutte et la paroi solide, dont de nombreux mécanismes sont encore à élucider. La Simulation Numérique Directe (DNS) constitue un outil prometteur pour l'étude de ces systèmes à petite échelle, et permet de s'affranchir des limites expérimentales. Dans le cadre de cette thèse, des solveurs et fonctionnalités ont été implémentés dans le code DIVA afin de complexifier le modèle physique résolu par les solveurs usuels et de s'approcher le plus possible des conditions réelles rencontrées dans des conditions de forte évaporation. Il s'agissait en particulier de tenir compte des effets de dilatation thermique et de thermodépendance des propriétés. Dans un premier temps, des simulations numériques de l'évaporation d'une goutte dans un écoulement laminaire surchauffé sont présentées. Cette configuration permet d'analyser les effets de thermodépendance de la densité et de dilatation thermique induits par les forts gradients de températures. La deuxième partie porte sur la simulation numérique d'une petite goutte qui s'évapore sur une paroi surchauffée en régime de Leidenfrost. Deux configurations sont étudiées. La première considère l'évaporation du liquide dans sa vapeur saturée. Une étude paramétrique est menée pour caractériser les effets de l'évaporation et de la taille de la goutte sur ses propriétés géométriques et les transferts thermiques. La deuxième configuration s'intéresse à une approche plus proche de la réalité, où une espèce chimique inerte additionnelle est présente dans le gaz. Une étude phénoménologique permet d'analyser l'influence des différents développements numériques de cette thèse : les effets de thermodépendance des propriétés, de mélange, et les effets thermocapillaires. Les résultats sont confrontés à des travaux théoriques et expérimentaux de la littérature. L'étude réalisée montre que la prise en compte de la convection Marangoni, induite par les effets thermocapillaires, a un impact majeur sur la position d'équilibre de la goutte.
Author: Laura Grandas Martin Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 210
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Le phénomène d'évaporation intervient dans de nombreux processus naturels et applications industrielles (refroidissement, séchage). Ce mémoire traite de l'évaporation d'une goutte posée pour une meilleure compréhension des mécanismes physico chimiques régissant les transferts couplés chaleur - masse. Les cas étudiés ont porté sur une goutte d'eau bidistillée (5 mm3 [inférieur ou égal] V [inférieur ou égal] 70 mm3) posée sur deux surfaces chauffées (30 °C [inférieur ou égal] Tp [inférieur ou égal] 90 °C) de mouillabilité différente (aluminium et PTFE) par des méthodes optique et thermique. Les résultats expérimentaux ont permis de montrer que l'aplatissement des gouttes par les effets de gravité est sans influence dans la cinétique de l'évaporation. La nature et l'état de la surface n'influencent que l'angle de contact et le diamètre de mouillage initial. L'évaporation semble se produire préférentiellement au niveau de la ligne triple. Des simulations numériques du phénomène ont été réalisées et les résultats comparés à ceux obtenus par l'expérience
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CETTE THESE PORTE SUR LA COMBUSTION ET LA VAPORISATION DE GOUTTES ISOLEES DE COMBUSTIBLES LIQUIDES. CETTE ETUDE S'EST EFFECTUEE DANS DIVERSES CONDITIONS DYNAMIQUES ET THERMODYNAMIQUES. EN EFFET, LE PREMIER AXE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE LA COMBUSTION DES GOUTTES LORSQUE LA VITESSE RELATIVE ENTRE LA GOUTTE ET L'ECOULEMENT DEVIENT NON NEGLIGEABLE. LE DEUXIEME AXE CONCERNE L'ETUDE DE LA COMBUSTION ET DE LA VAPORISATION DES GOUTTES DANS UN MILIEU STAGNANT A HAUTE PRESSION, TOUT EN MINIMISANT LES EFFETS DE LA GRAVITE. LA RECHERCHE REALISEE TOUT AU LONG DE CE TRAVAIL A ETE ESSENTIELLEMENT EXPERIMENTALE. LES CARACTERISTIQUES DE COMBUSTION, OU DE VAPORISATION D'UNE GOUTTE DE COMBUSTIBLE LIQUIDE PEUVENT ETRE DEDUITES EXPERIMENTALEMENT A PARTIR DE L'EVOLUTION EN FONCTION DU TEMPS DE SON DIAMETRE ET DE CELUI DE LA FLAMME QUI L'ENTOURE. POUR CELA, NOUS AVONS DONC ADOPTE UNE MESURE AUTOMATIQUE DE LA SURFACE PROJETEE DE LA GOUTTE A L'AIDE DE CAMERAS ET D'UNE CHAINE DE DIGITALISATION ET DE TRAITEMENT D'IMAGES. DE PLUS POUR MINIMISER LES EFFETS DE LA CONVECTION NATURELLE SUR LA COMBUSTION D'UNE GOUTTE DE COMBUSTIBLE LIQUIDE, NOUS AVONS UTILISE LA TECHNIQUE DES VOLS PARABOLIQUES D'UN AVION LABORATOIRE. DANS LE CADRE DE L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE LA CONVECTION FORCEE, PLUSIEURS REGIMES DE COMBUSTION DE GOUTTES ISOLEE ONT ETE IDENTIFIES. POUR CHAQUE REGIME LA CONSTANTE DE VAPORISATION EN COMBUSTION A ETE DETERMINEE. DE PLUS LES TRANSITIONS ENTRE CES DIFFERENTS REGIMES ONT ETE CARACTERISEES. EN CE QUI CONCERNE L'INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LA VAPORISATION ET LA COMBUSTION DES GOUTTES, NOUS AVONS REALISE DES EXPERIENCES JUSQU'A DES PRESSIONS SUPERIEURES AUX PRESSIONS CRITIQUES DES DIFFERENTS COMBUSTIBLES ETUDIES. L'INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LE TAUX DE COMBUSTION A ETE MISE EN EVIDENCE. DE NOMBREUSES COMPARAISONS ONT ETE FAITES AVEC LA THEORIE QUASI-STATIONNAIRE, AINSI QU'AVEC D'AUTRES ETUDES EXPERIMENTALES
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Cette thèse est centrée sur le développement d’outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l’étude du couplage entre l’évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l’injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l’instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l’holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l’étude de l’évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l’évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée.
Author: Joseph Dgheim Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Ce travail concerne une étude théorique et expérimentale de l'évaporation et de la combustion de gouttes de carburants liquides. Il comporte deux parties. La première est consacrée à une étude numérique de la combustion en convection naturelle d'une goutte de liquide pur. Dans un premier temps, nous avons modélisé les transferts qui se développent dans la phase vapeur entourant une goutte assimilée à une sphère saturée d'un liquide pur. Dans un deuxième temps, nous avons analysé les transferts qui se déroulent dans les phases liquide et vapeur en couplant les équations qui régissent les transferts dans les deux phases. La deuxième partie concerne l'analyse expérimentale de l'évaporation et de la combustion de gouttes de carburants liquides à l'aide d'une caméra CCD et d'une caméra de thermographie infrarouge.
Author: Lionel Perrin
Author: Lionel Perrin
Author: Valérie Deprédurand
Author: Olivier Adam
Author: Christophe Maqua
Author: Mohamed Bouaziz
Author: Guillaume Mialhe
Author: Laura Grandas Martin
Author: XAVIER.. CHESNEAU
Author: Delphine Chareyron
Author: Joseph Dgheim