Article

1 - FORMATION DE GOUTTES LIQUIDES ET DE BROUILLARDS

  • 1.1 - Génération naturelle
  • 1.2 - Génération artificielle
  • 1.3 - Méthodes pour étudier l'atomisation

2 - ÉVOLUTION D'UNE GOUTTE

  • 2.1 - Hypothèses générales
  • 2.2 - Loi en d2 pour l'évaporation
  • 2.3 - Loi en d2 pour une goutte entourée d'une flamme
  • 2.4 - Théories s'écartant des hypothèses classiques

3 - ÉVOLUTION D'UN BROUILLARD

  • 3.1 - Description
  • 3.2 - Évolution d'un ensemble de gouttes (cas d'une seule classe)
  • 3.3 - Évolution de la phase gazeuse (cas d'une seule classe de particules)
  • 3.4 - Taux de production d'entropie et relations phénoménologiques
  • 3.5 - À propos des lois de comportement locales
  • 3.6 - Exemple de la modélisation d'une flamme de brouillard
  • 3.7 - Influence du rayonnement

4 - EXPÉRIENCES

  • 4.1 - Intérêt de la micropesanteur
  • 4.2 - Simulation de moteurs cryogéniques

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

7 - LISTE DES PRINCIPAUX SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM2521 v2

Vaporisation et combustion de gouttes dans les moteurs

Auteur(s) : Roger PRUD'HOMME

Date de publication : 10 juil. 2015

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Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Cet article montre les enjeux et décrit les méthodes utilisées pour étudier la vaporisation et la combustion de gouttes dans les moteurs. Est d'abord présentée l'atomisation à partir de nappes liquides, en passant par l'étape possible des ligaments. L'évolution d'une goutte est ensuite étudiée dans le cadre d'hypothèses plus ou moins classiques, puis celle d'un brouillard dont les lois de comportement sont établies. L'aspect expérimental est évoqué à propos des moteurs Diesel, mais surtout au sujet des moteurs de fusées à ergols liquides.

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ABSTRACT

Droplet vaporization and combustion in engines

This article shows the issues involved and describes the methods used in the study of vaporization and combustion of drops in engines. Is first presents atomization from liquid sheets, and the potential ligament step. The evolution of a drop is then studied under more or less conventional assumptions, and then that of a fog, whose model equations are established. The experimental aspect is mentioned in connection with diesel engines, but mostly for liquid ergol rocket engines.

Auteur(s)

  • Roger PRUD'HOMME : Directeur de recherche émérite Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, UMR 7190, Institut Jean Le Rond d'Alembert, Paris, France - CNRS, UMR 7190, Institut Jean Le Rond d'Alembert, Paris, France - Ancien Consultant à l'Onera/DEFA

INTRODUCTION

Bien connaître les phénomènes en présence, savoir calculer l'évolution d'une goutte ou d'un ensemble de gouttes pour mieux prévoir les performances des moteurs est un objectif qui reste d'actualité. D'abord on a intérêt à ce que l'évaporation et la combustion aient lieu à l'intérieur du moteur et non dans le pot d'échappement (moteurs dits à explosion) ou dans la tuyère (moteur-fusée à ergols liquides par exemple). Il est bon de rappeler par exemple qu'un premier calcul de la taille d'un moteur de fusée est fait à partir de l'estimation de la longueur nécessaire à la combustion complète d'une goutte de combustible injectée à l'entrée de la chambre de combustion. Améliorer l'efficacité de la combustion pour obtenir de meilleurs rendements, mettre au point des moteurs moins polluants sont des motivations actuelles et d'avenir pour les recherches dans ce domaine. Ces rappels montrent l'importance capitale du sujet abordé au travers de quelques-uns des problèmes posés par l'évaporation et la combustion de gouttes.

Dans cet article, le paragraphe 1 est consacré à la génération de gouttes, naturelles (la rosée) ou artificielles (l'injection dans les moteurs, les sprays). Est donc étudiée la formation de sprays par déstabilisation de nappes liquides planes, cylindriques ou coniques. Une place particulière est accordée aux moteurs Diesel. La détermination de la distribution en taille des gouttes est présentée par la méthode du maximum d'entropie appliquée aux nappes minces. Cette méthode atteint ses limites lorsque l'on veut étudier l'atomisation de jets épais, comme c'est le cas dans les moteurs fusées cryotechniques. Une autre méthode consiste à étudier la formation des gouttelettes à partir des ligaments.

Le paragraphe 2 est consacré à la combustion d'une goutte seule, avec des hypothèses simplificatrices diverses, dont l'absence d'interaction avec ses voisines. La célèbre « loi du d2 » y est présentée ainsi que les cas où elle n'est plus valable. On traitera en particulier de problèmes d'instabilités de combustion et d'évaporation au voisinage du point critique.

Les ensembles de gouttes (c'est-à-dire les milieux diphasiques et les brouillards) sont évoqués dans le paragraphe 3, surtout dans le cas d'une seule classe de taille. On y introduit les lois d'interaction particule-gaz à partir de la thermodynamique des processus irréversibles appliquée à différentes échelles. Puis est traité un exemple de flamme de brouillard et est abordée la question du rayonnement en présence de suies ou de particules métalliques en fusion.

Le paragraphe 4 fait état d'expériences plus ou moins fondamentales. Y sont évoqués principalement la micropesanteur et le banc de simulation Mascotte de l'Onera. La première est décisive si l'on veut obtenir de grosses gouttes (mieux appropriées à l'observation fine) conservant une configuration la plus sphérique possible (plus faciles à calculer) en évitant la convection naturelle. Le second est un instrument de choix pour étudier ce qui peut se passer dans un moteur cryotechnique.

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MOTS-CLÉS

LDV PLIF DRASC

KEYWORDS

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bm2521


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BIBLIOGRAPHIE

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  • ...

1 Sites Internet

ANFA Association nationale pour la formation automobile http://www.anfa-auto.fr

ONERA et ONERA-EM2C Office national d'études et de recherches aérospatiales (the French Space Lab) http://www.onera.fr

ZARM Zentrum für angewandte Raumfahrttechnology, Universität Bremen. Site of the Center of applied Space Technology and Microgravity http://www.zarm.uni-bremen.de/

CAN Agence spatiale canadienne http://www.space.gc.ca/

WIKI Wikipedia. L'encyclopédie libre http://fr.wikipedia.org/

ICARE Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement http://www.icare.cnrs-orleans.fr/

CNES Centre national d'études spatiales http://www.cnes.fr/

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