Modelling flashing liquids jets and rain-out
Modélisation des jets diphasiques liquide vapeur et du "Rain-Out"
Résumé
This work aims at modelling flashing liquid jets. It deals particularly with velocity and diameter of droplets formed near the orifice (orifice diameters between a few millimetres and a few decimetres). The model not only calculates changes of temperature, fluid concentration, size and velocity of droplets, but also « rain-out » fraction (liquid which falls down on the ground). This work contributes to developoing tools for estimating safety distances.
An experimental program allowed measuring jet mass flow rate, diameter and velocity of droplets which result from its fragmentation and rain-out fraction. Fluid: superheated water; reservoir temperature: 110 to 160 °C; reservoir pressure: 3 to 10 bar abs; breach geometry: orifices –2 and 5 mm- and pipes – 2 mm diameter, 100 mm length and 5 mm diameter, 250 mm length-.
Measurements allowed validation of the model both for pipe and orifice flow rate and for the aerosol jet. Droplet diameter distribution measurements showed that a few “large droplets” (150 µm < d < 600 µm) exist. They count for more than 80 % of mass even if they are few. These droplets were not mentioned in previous literature. The physical phenomenon which generates them is not known. Nevertheless they seem to us necessary in order to explain the heterogeneous nature of rain-out: observation clearly shows that droplets fall under the aerosol jet.
From a selection of our data and those from CCPS about other fluids (CFC-11, Cyclohexane, Methylamine, Cl2) we built a correlation for the “necessary “ droplet diameter (the one for which the model predicts the correct rain-out). Our model with this correlation allows rain-out fraction prediction within [-10 %, +30 %]. This is a significant improvement of the state of the art.
An experimental program allowed measuring jet mass flow rate, diameter and velocity of droplets which result from its fragmentation and rain-out fraction. Fluid: superheated water; reservoir temperature: 110 to 160 °C; reservoir pressure: 3 to 10 bar abs; breach geometry: orifices –2 and 5 mm- and pipes – 2 mm diameter, 100 mm length and 5 mm diameter, 250 mm length-.
Measurements allowed validation of the model both for pipe and orifice flow rate and for the aerosol jet. Droplet diameter distribution measurements showed that a few “large droplets” (150 µm < d < 600 µm) exist. They count for more than 80 % of mass even if they are few. These droplets were not mentioned in previous literature. The physical phenomenon which generates them is not known. Nevertheless they seem to us necessary in order to explain the heterogeneous nature of rain-out: observation clearly shows that droplets fall under the aerosol jet.
From a selection of our data and those from CCPS about other fluids (CFC-11, Cyclohexane, Methylamine, Cl2) we built a correlation for the “necessary “ droplet diameter (the one for which the model predicts the correct rain-out). Our model with this correlation allows rain-out fraction prediction within [-10 %, +30 %]. This is a significant improvement of the state of the art.
Ce travail vise à modéliser les jets diphasiques de gaz liquéfiés et s'intéresse en particulier à la vitesse et au diamètre des gouttes formées au voisinage de l'orifice ( diamètres de brèche compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de centimètres ). Le modèle calcule l'évolution le long du jet de la température, de la concentration en fluide, de la taille et de la vitesse des gouttes et calcule surtout la fraction de « rain-out » (liquide qui se dépose au sol). Ce travail est une contribution au développement d'outils pour estimer des distances de sécurité dans le cadre des études de danger.
Une campagne expérimentale a permis de mesurer le débit du jet, le diamètre et la vitesse des gouttes qui résultent de sa fragmentation , ainsi que la fraction de « rain-out ». Fluide : eau surchauffée ; températures de réservoir : 110 à 160°C ; pressions de réservoir : 3 à 10 bar abs ; géométries de la brèche : orifices -diamètres 2 et 5 mm- et conduites -diamètre 2 mm, longueur 100 mm et diamètre 5 mm, longueur 250 mm-.
Les mesures nous ont permis de valider le modèle proposé pour le débit de l'écoulement dans une conduite ou un orifice, ainsi que pour le jet de brouillard. Les mesures de distribution granulométrique des gouttes nous ont permis de mettre en évidence une population de « grosses gouttelettes » (150 µm < d < 600 µm), très minoritaires en nombre, mais qui représentent plus de 80 % de la masse. Même si l'existence de ces « grosses gouttelettes » n'a jamais encore été signalée dans la littérature et si le mécanisme physique qui les génère n'est pas élucidé, elles nous paraissent nécessaires pour comprendre le caractère hétérogène du « rain-out » : l'observation montre clairement des gouttes qui tombent sous le jet de brouillard.
Partant d'un échantillon parmi nos mesures et celles du CCPS sur d'autres fluides (CFC-11, Cyclohexane, Méthylamine, Cl2), nous avons proposé une corrélation pour le diamètre « nécessaire » des gouttelettes (celui qui conduit le modèle à prévoir le « rain-out » correct). Notre modèle, complété par cette corrélation, permet de prévoir la fraction de « rain-out » à [-10 %, +30 %] près, soit une amélioration significative de l'état de l'art.
Une campagne expérimentale a permis de mesurer le débit du jet, le diamètre et la vitesse des gouttes qui résultent de sa fragmentation , ainsi que la fraction de « rain-out ». Fluide : eau surchauffée ; températures de réservoir : 110 à 160°C ; pressions de réservoir : 3 à 10 bar abs ; géométries de la brèche : orifices -diamètres 2 et 5 mm- et conduites -diamètre 2 mm, longueur 100 mm et diamètre 5 mm, longueur 250 mm-.
Les mesures nous ont permis de valider le modèle proposé pour le débit de l'écoulement dans une conduite ou un orifice, ainsi que pour le jet de brouillard. Les mesures de distribution granulométrique des gouttes nous ont permis de mettre en évidence une population de « grosses gouttelettes » (150 µm < d < 600 µm), très minoritaires en nombre, mais qui représentent plus de 80 % de la masse. Même si l'existence de ces « grosses gouttelettes » n'a jamais encore été signalée dans la littérature et si le mécanisme physique qui les génère n'est pas élucidé, elles nous paraissent nécessaires pour comprendre le caractère hétérogène du « rain-out » : l'observation montre clairement des gouttes qui tombent sous le jet de brouillard.
Partant d'un échantillon parmi nos mesures et celles du CCPS sur d'autres fluides (CFC-11, Cyclohexane, Méthylamine, Cl2), nous avons proposé une corrélation pour le diamètre « nécessaire » des gouttelettes (celui qui conduit le modèle à prévoir le « rain-out » correct). Notre modèle, complété par cette corrélation, permet de prévoir la fraction de « rain-out » à [-10 %, +30 %] près, soit une amélioration significative de l'état de l'art.