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Évaporation de gouttelettes polydispersées dans un écoulement de canal fortement turbulent : analyse de la formation du mélange diphasique par imagerie de fluorescence

Cochet, Magali (2007) Évaporation de gouttelettes polydispersées dans un écoulement de canal fortement turbulent : analyse de la formation du mélange diphasique par imagerie de fluorescence. (Evaporation of polydispersed droplets in a highly turbulent channel flow : analysis of the formation of the mixing in the two-phase flow with fluorescence images.)

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Abstract

Nous présentons ici une expérimentation modèle pour l'étude d'écoulements diphasiques turbulents en évaporation. L'étude s'intéresse à une situation où des gouttelettes pré-atomisées et dispersées par un écoulement turbulent chauffé s'évaporent et se mélangent. Le chargement massique en gouttelettes est pris suffisamment bas pour que l'on puisse considérer que l'on n'a pas de rétro-action du mouvement des particules sur l'écoulement porteur. L'écoulement est chauffé de façon à déclencher l'évaporation des gouttelettes. Enfin il n'y a pas combustion. Afin de mener à bien cette étude, un banc d'expérimentation modèle a été conçu pour générer un écoulement porteur fortement turbulent. Il s'agit d'un écoulement de canal présentant des caractéristiques de la turbulence homogène isotrope et des niveaux de turbulence élevés : 25 % dans la zone établie homogène isotrope, largement supérieurs à ceux obtenus à l'aide d'une turbulence de grille. La caractérisation de cet écoulement a été réalisée à l'aide de la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Un système d'injection, utilisant un atomiseur passif à ultrasons, permet de créer un brouillard de gouttelettes qui sont rapidement dispersées dans l'écoulement. Les caractéristiques de ce brouillard sont également déterminées directement en sortie d'injecteur. Les gouttelettes ont des tailles suffisamment petites pour être toutes sensibles au moins aux grosses structures énergétiques, voire même aux échelles dissipatives. La polydispersion du brouillard est telle que tous les types d'interactions entre la turbulence et les gouttelettes sont possibles. L'étude de l'évaporation est réalisée à l'aide de la Fluorescence Induite par Laser (PLIF), qui permet de déterminer des concentrations massiques de vapeur. La PLIF étant une technique de mesures habituellement utilisée pour des écoulements monophasiques (liquide ou gaz), des traitements d'images ont du être mis au point pour séparer les signaux liés aux gouttelettes de ceux émis par la vapeur. L'analyse des images de fluorescence a été réalisée en deux temps. D'abord un comptage des gouttes a permis de s'intéresser à la répartition spatiale des gouttes. Il a été mis en évidence que si les gouttes sont en moyenne bien réparties dans toute la section de la veine, les répartitions instantanées sont tout sauf homogènes, et présentent de forts écarts par rapport à une distribution purement aléatoire. On en déduit l'existence d'amas dont la taille caractéristique peut varier en fonction des conditions de l'expérience. Ce point est à considérer car un groupement de gouttes est susceptible de freiner l'évaporation en concentrant la vapeur créée. Enfin, l'étude de l'évaporation pour un cas de référence a été réalisée. L'évolution du débit massique de vapeur généré est analysée et mise en relation avec des modèles simples d'évaporation. Les fluctuations de concentrations massiques permettent également de déterminer l'efficacité du mélange en présence d'évaporation. ABSTRACT : A model experiment for the study of evaporating turbulent two-phase flows is presented here. The study focuses on a situation where pre-atomized and dispersed droplets vaporize and mix in a heated turbulent flow. The liquid mass loading of the carrier flow is set sufficiently low to avoid two-way coupling where the droplets have an effect on the dynamic and the turbulence of the carrier flow. The carrier flow is heated in order to have vaporization of the droplets. Last, there is no combustion. For this study, a model experimental test bench was conceived to generate a highly turbulent carrier flow. It consists in a channel flow with caracteristics of homogeneous and isotropic turbulence where fluctuations' levels are very high. These levels range as high as 25 % in the established homogeneous and isotropic zone, which is much higher than those commonly obtained with a classical grid turbulence. The characterization of this gaz flow was realized with Particles Image Velocimetry (PIV). An injection system using a passive ultrasound atomizer allows the creation of a mist of small droplets which are quickly dispersed in the carrier flow. The caracteristics of this mist, namely the droplets mean diameters and velocities, are determined directly at the exit of the injector. The droplets have diameters small enough to be all sensitive to at least the biggest, most energetic turbulent structures. The smallest droplets are even sensitive to the smallest turbulent structures. The range of diameters is so large that pratically every kind of droplet behavior with regards to turbulence is possible. The study of evaporation is done through Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) which allows the determination of mass concentrations of vapor. PLIF is usually used on one-phase flows, be it liquid or gaz. Therefore, images treatments are done to separate fluorescence signals of droplets from signals due to vapor. Analysis of fluorescence images is made in two steps. First, droplets are being counted in order to characterize spatial repartition of droplets. While droplets are in average well dispersed throughout the channel, meaning there are no more droplets on the center of the channel than on the edge (or the opposite), the instantaneous repartitions are all but homogeneous. In fact, there are high deviations from a purely statistical distribution (represented by a Poisson law). Therefore, it has been concluded that there are droplets clusters in the flow whose caracteristic size may vary with the experimental conditions. This in turn may lead to the slowing of evaporation since mass fraction of vapor around droplets in a cluster will get higher. Eventually, the evaporation of a reference case was studied. The evolution of generated vapor mass flow rate is analyzed and compared with simple non-dimensional models for evaporation such as the D2 p law. The mass concentration fluctuations allow us to determine the efficiency of mixing during evaporation

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Bazile, Rudy
Uncontrolled Keywords:Évaporation - Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) - Mélange diphasique – Fluorescence Induite par Laser (PLIF) - Brouillard de gouttelettes - Turbulence homogène isotrope. KEYWORDS : Evaporation - Particles Image Velocimetry (PIV) - Mixing in the two-phase flow - Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) - Mist of small droplets - Homogeneous and isotropic turbulence
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Hydraulics > Energetics and transfers
Deposited On:04 January 2011

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