Atomisation d'un film liquide mince par action combinée des instabilités de Kelvin-Helmholtz et de Faraday : application aux injecteurs aérodynamiques des turbomachines aéronautiques Lalo, Marie 2006-12-21 Ecole Nationale Supérieure de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Cartellier, Alain Laboratoire :  Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels -LEGI Ecole doctorale :  Transferts, dynamique des fluides, énergétique et procédés Classification : Physique

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Atomisation liquide, Injecteur aérodynamique, Injecteur ultrasonique, Instabilités de cisaillement, Kelvin-Helmholtz, Instabilités de Faraday, Méthodes actives Résumé : Les moteurs aéronautiques équipant avions et hélicopteres requièrent une sécurité sans faille, l'application de normes sur la réduction des émissions polluantes établies dans le protocole de Kyoto, tout en maintenant des coûts compétitifs à la realisation aussi bien qu’à la maintenance. Le respect de ces contraintes est étroitement lié à la qualité de la combustion, elle-même dépendante de la capacité des systemes d'injection à former un brouillard de gouttes de carburant aussi fin et homogène que possible. Cependant les principes physiques (instabilités de cisaillement) exploités sur les injecteurs aérodynamiques actuellement en service ne permettent pas d'assurer la qualité de pulvérisation exigée à tous les régimes de fonctionnement de l'appareil, particulierement aux bas régimes qui correspondent typiquement à des vitesses d’air inférieures à 30-40m/s. C'est pourquoi la mise au point d'un nouveau systeme d'injection capable de fonctionner efficacement sur une large plage de conditions d’écoulement s’avère nécessaire. Le travail de these s’inscrit dans cette problématique, avec pour objectifs de proposer et de valider un nouveau concept d’injecteur couplant aux instabilités de cisaillement un second mécanisme instable efficace lorsque l'écoulement aérodynamique est faible ou inexistant. La solution retenue consiste à soumettre un film liquide mince s'écoulant sur une paroi à une excitation dirigée perpendiculairement à l'interface air/liquide à l'aide d'un actionneur. Cette excitation produit en surface une instabilité de Faraday qui est à l'origine de la formation de gouttes dont les caractéristiques de tailles et de flux sont directement liées aux paramètres de l'excitation (fréquence et amplitude d'oscillation). Le travail comprend dans un premier temps une étude des instabilités naturelles liées au cisaillement entre l'air et le liquide (Kelvin-Helmholtz) et de l'atomisation résultante. Dans un second temps une étude de l'actionneur et de l’effet de l'excitation sur l‘interface du film et sur la production de gouttes en surface a été effectuée. Résumé (anglais) : Aircraft and helicopter engines require an unfailing working which complies with emission standards set in the Kyoto protocol and in the same time low cost for production and maintenance. To meet those requirements, injectors have to insure a good pulverization, and consequently an efficient combustion, with a fine and homogeneous particle size distribution. In aeronautical engines, the liquid fuel is atomized by shearing instabilities in a spray of droplets by airblast injectors. Nevertheless, for some operating conditions such as ignition or high-altitude re~ignition when air velocity, pressure and temperature are reduced, the pulverization quality of airblast atomizers is poor. Therefore aircraft manufacturers are currently developing new injection systems efficient on larger working range. The aims of the Ph.D. are to develop and to demonstrate the validity of a new injector concept which combine to the shearing instabilities a second destabilizing mechanism which is efficient when the aerodynamic field is week or nonexistent. So we chose to submit a thin liquid film flowing on a plate to a normal oscillating excitation through an actuator. As a result, Faraday's instabilities are generated at the interface leading to the production of droplets whom size and flux characteristics are dependant on the excitation parameters (oscillation frequency and amplitude). The first step consisted in analyzing the breakup of a thin liquid film stressed by a co-current gas stream (Kelvin-Helmholtz instabilities) and the characteristics of the resultant spray of droplets. Then the effect of the excitation on the liquid/gas interface and on the droplet production were investigated. Langue : Français

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