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Etude expérimentale de la rupture de gouttes dans un écoulement turbulent

Galinat, Sophie (2005) Etude expérimentale de la rupture de gouttes dans un écoulement turbulent. (Experimental study of drop breakup in a turbulent flow.)

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Résumé

Dans ce travail, une étude expérimentale du phénomène de rupture de gouttes dans un écoulement turbulent en aval d'une restriction de conduite est proposée. Une analyse statistique de la rupture d'une goutte isolée a été effectuée à l'échelle d'un volume d'écoulement fini en aval de l'orifice. Un nombre de Weber global, basé sur la perte de charge maximale à travers l'orifice, est un paramètre pertinent pour décrire la probabilité de rupture, le nombre de fragments moyen ou encore le diamètre moyen des gouttes-filles. A l'échelle locale, en revanche, la distribution hétérogène des lieux de rupture révèle un effet important du nombre de Reynolds. La caractérisation du champ hydrodynamique local de l'écoulement en aval de l'orifice par PIV rapide confirme l'existence de zones de ruptures localisées, associées aux maxima des contraintes turbulentes à l'échelle de la goutte. Afin d'analyser les mécanismes de rupture dans le champ turbulent, la déformation de la goutte le long de sa trajectoire est simulée à l'aide du modèle linéaire de Rayleigh-Lamb, dans lequel le forçage externe est représenté par la valeur locale instantanée du Weber turbulent. L'analyse statistique de la réponse dynamique de la goutte a permis d'identifier un critère de rupture basé sur un seuil de déformation critique, généralisable à l'ensemble des conditions opératoires. Cette approche multi-échelle a été reconduite pour étudier la rupture d'une goutte en milieu dense. La diminution de la probabilité de rupture en fonction de la concentration est liée à des modifications de la distribution des Weber turbulents en aval de l'orifice. ABSTRACT : This work presents the drop breakup phenomenon in a turbulent flow induced by a cross-section restriction in a pipe. A global analysis of single-drop breakup, in a finite volume downstream of the orifice, has allowed deriving statistical quantities such as the break-up probability and the daughter-drop distribution. These parameters are function of a global Weber number based on the maximal pressure drop through the orifice. At a local scale, the locations of breakup events are distributed heterogeneously and depend on the flow Reynolds number. The local hydrodynamic study in downstream of the orifice, which has been done by using Particle Image Velocimetry, reveals the specific breakup zones. Otherwise, this analysis has proved that the turbulence is the predominant external stress at the drop scale. The relation between drop deformation and the external stress along the trajectory has been simulated numerically by the response of a damped oscillator to the locally measured instantaneous turbulence forcing. The results of statistical analysis have allowed to introduce a breakup criterion, based on a unique deformation threshold value for all experiments. This multiscale approach has been conducted to study drop breakup mechanisms in a concentrated dispersion. The breakup probability decrease with the increase of dispersed phase concentration, which influences the turbulent Weber number distribution in downstream of the orifice.

Département ou laboratoire:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Masbernat, Olivier et Guiraud, Pascal
Mots-clés:Rupture - Déformation - Goutte - Orifice - Turbulence hétérogène - Ecoulement dispersé - Trajectographie rapide - Vélocimétrie par Images de particules - Ecoulement liquide-liquide - Oscillateur linéaire amorti. KEYWORDS : Breakup - Deformation - Drop - Orifice - Non-homogeneous turbulence - Two-phase flow - High-speed video trajectography - Particle image velocimetry - Liquid-liquid flow - Damped linear oscillator.
Sujets:Génie des procédés > Génie des procédés et environnement
Déposé le:08 Septembre 2005

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