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1 - FORMATION DE GOUTTES LIQUIDES ET DE BROUILLARDS

2 - ÉVOLUTION D'UNE GOUTTE

3 - ÉVOLUTION D'UN BROUILLARD

4 - EXPÉRIENCES

5 - CONCLUSION

| Réf : BM2521 v1

Évolution d'une goutte
Évaporation et combustion de gouttes dans les moteurs

Auteur(s) : Roger PRUD'HOMME

Date de publication : 10 juil. 2009

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Auteur(s)

  • Roger PRUD'HOMME : Directeur de recherche émérite – Institut Jean Le Rond d'Alembert UMR 7190 – Université Pierre et Marie Curie/Centre National de la Recherche Scientifique – Paris - Consultant à l'Onera/DEFA (département Énergétique fondamentale et appliquée)

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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 (moteurs-fusées 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 la première partie (paragraphe 1) il est question de 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.

La seconde partie (paragraphe 2) est consacrée 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 au 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.

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.

Certaines parties de ce travail se rapportent à des activités financées et conduites dans le cadre du programme franco-allemand sur la stabilité de combustion haute fréquence impliquant six partenaires : le CNES, l'Onera, le CNRS, le DLR, Snecma, et EADS-ST (paragraphe 2), dans le cadre des GDR no 2258 et no 2799 (CNES/CNRS) (paragraphe 2 et paragraphe 4.1) et dans le cadre des activités R&T CNES/Snecma appliquée à l'étude des phénomènes de combustion dans les chambres de combustion des moteurs-fusées à ergols liquides (paragraphe 4.2).

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm2521


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2. Évolution d'une goutte

2.1 Hypothèses générales

Dans un foyer de combustion les gouttes de combustible issues des injecteurs atteignent au bout d'un certain temps une situation stabilisée dans la mesure où leur vitesse devient égale localement à celle du gaz environnant et où leur température devient égale à la température de vapeur saturante du liquide à la pression du foyer, supposée constante et uniforme.

Les gouttes sont par ailleurs en suspension dans le mélange gazeux formé de combustible gazeux, de comburant et de produits de combustion. Elles sont généralement minoritaires en volume. Dans certains cas (certains brouillards), on néglige même le volume de la phase minoritaire.

De multiples situations se présentent : la suspension peut être plus ou moins dense, c'est-à-dire comporter une proportion volumique plus ou moins élevée de particules condensées ; elle peut être monodispersée ou polydispersée et on peut alors dans ce dernier cas considérer des classes de particules, généralement selon le diamètre.

En ce qui concerne la combustion proprement dite, elle peut avoir lieu au voisinage et autour de chaque goutte ou alors résulter de l'évaporation d'un ensemble de gouttes. On observe dans de nombreux cas que l'aire de la surface de la goutte régresse au cours du temps suivant une loi linéaire (figure 14c). Nous démontrerons ci-dessous ce résultat moyennant des hypothèses simplificatrices.

Étudions le cas d'une goutte de combustible pur, au repos dans une atmosphère infinie. Une telle situation ne peut se produire au sol qu'avec une goutte suffisamment petite (la taille L intervenant dans le nombre de Grashof (voir Remarque) étant ici le diamètre de la goutte d ), pour des pressions suffisamment faibles et largement en dessous du point critique, car l'inexistence de tension superficielle au point critique interdit alors tout accrochage de la goutte à un support quelconque. Ces conditions rendent difficile l'observation au sol de gouttes de diamètre suffisant en respectant la symétrie sphérique en l'absence d'écoulement forcé.

Remarque : l'importance de la convection naturelle est souvent évaluée à l'aide du nombre de Grashof [38] ...

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