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Titre
Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace
/ 28-11-2018
Alis Romain
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L’évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomène
crucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûlée
pour fournir de l’énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait des
difficultés de mesurer expérimentalement les taux d’évaporation des gouttes appartenant à un
brouillard. D’autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentatives
des conditions rencontrées dans les foyers de combustion.
La thèse s’inscrit dans une démarche visant à étudier l’évaporation d’un groupe de gouttes
dans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lors
de l’évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d’évaporation
de chaque goutte ou sur le taux d’évaporation global du nuage de gouttes. L’approche SND
permet de quantifier précisément ces effets afin d’améliorer les modèles actuels d’évaporation.
Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration
1D sphérique pour décrire l’évaporation d’une goutte statique isolée et sans gravité. Puis
dans un second temps, l’évaporation d’une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire.
Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force de
traînée exercée par l’écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a été
mis en évidence que l’évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée.
Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la goutte
peut devenir négative. Cela implique que l’évaporation peut être à l’origine d’un phénomène de
propulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier ce comportement à une asymétrie
du débit d’évaporation. Dans un troisième temps, l’influence de la turbulence sur l’évaporation
d’une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémenté
et des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire le temps des calculs. Cela
a permis d’analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d’une goutte en
interaction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendance
à être amplifiées par la turbulence. Enfin, dans un dernier temps, l’évaporation de groupes de
gouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ont
été analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaire
ou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d’évaporation, il a été mis en
évidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changement
de phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur les
échanges thermiques.
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