Atomisation and evaporation in an helium liquid-gas mixed jet
Atomisation et évaporation dans un jet mixte hélium liquide / hélium gazeux
Résumé
This experimental work is a contribution to the study of atomization and
evaporation of a liquid by a gaz with a geometry of coaxial turbulent
jets. This phenomenum arise in rocket's cryogenic engine. We use liquid
and gazeous helium as working fluids, that allows us to reach high Reynolds
number ($R_{e} \approx 10^5$) and high Weber number ($W_{e} \approx
10^3$). The weak latent heat of liquide helium (20~J/g) makes it
possible to vary the influence of vaporization dramaticaly.
A first study, with micro thermometer, allowed us to distinguish the
effects of atomization and vaporization of the liquide by the gaz.
With high Weber number jets, the atomization process is found to be
very efficient and to provide the exhanging surface enhancement
necessary for a fast evaporation.
A second study with optical diagnostic, namely the light scattering by
the helium spray, allowed us to quantify the interface liquid gaz
disappearing caused by evaporation. In our experimental conditions ($W_{e} \approx
10^3$), we showed that the quantity of interface beyond the liquid
core decreases
exponentially with the exces of enthalpy in the gaz.
All this study has been performed in a cryogenic environnemnt, that
led us to an important instrumental development wich is presented in
this thesis.
evaporation of a liquid by a gaz with a geometry of coaxial turbulent
jets. This phenomenum arise in rocket's cryogenic engine. We use liquid
and gazeous helium as working fluids, that allows us to reach high Reynolds
number ($R_{e} \approx 10^5$) and high Weber number ($W_{e} \approx
10^3$). The weak latent heat of liquide helium (20~J/g) makes it
possible to vary the influence of vaporization dramaticaly.
A first study, with micro thermometer, allowed us to distinguish the
effects of atomization and vaporization of the liquide by the gaz.
With high Weber number jets, the atomization process is found to be
very efficient and to provide the exhanging surface enhancement
necessary for a fast evaporation.
A second study with optical diagnostic, namely the light scattering by
the helium spray, allowed us to quantify the interface liquid gaz
disappearing caused by evaporation. In our experimental conditions ($W_{e} \approx
10^3$), we showed that the quantity of interface beyond the liquid
core decreases
exponentially with the exces of enthalpy in the gaz.
All this study has been performed in a cryogenic environnemnt, that
led us to an important instrumental development wich is presented in
this thesis.
Ce travail expérimental est une contribution à l'étude du fractionnement
et évaporation
d'un liquide par un gaz en géométrie de jets turbulents coaxiaux. Ce
phénomène est notamment rencontré dans les moteurs cryotechniques de
fusée. L'utilisation de l'hélium liquide et gazeux permet de réaliser des
écoulements à grands nombres de Reynolds $R_{e} \approx 10^5$ et
grands nombres de Weber $W_{e} \approx 10^3$. De plus la faible chaleur latente
de l'hélium liquide (20~J/g) permet de faire varier l'importance du
phénomène de vaporisation dans de grandes proportions.
Une première étude à l'aide de micro thermomètres a isolé les rôles
respectifs du fractionnement et de l'évaporation du liquide par le
cocourant gazeux. Pour des jets à fort nombre de Weber, nous avons
montré que le fractionnement du liquide est très efficace et fournit
l'accroissement de surface d'échange nécessaire à l'évaporation rapide.
Une seconde étude par diffusion de la lumière dans l'aérosol d'hélium
a permi de quantifier la disparition d'interface liquide/gaz par
vaporisation. Dans nos conditions expérimentales ($W_{e} \approx
10^3$), nous avons montré que la quantité d'interface au delà du cône
potentiel du jet liquide décroît exponentiellement avec l'excès
d'enthalpie transporté par le gaz.
L'utilisation de fluides cryogéniques pour des expériences
d'hydrodymique a donné lieu à un important dévellopement instrumental
qui est présenté dans ce mémoire.
et évaporation
d'un liquide par un gaz en géométrie de jets turbulents coaxiaux. Ce
phénomène est notamment rencontré dans les moteurs cryotechniques de
fusée. L'utilisation de l'hélium liquide et gazeux permet de réaliser des
écoulements à grands nombres de Reynolds $R_{e} \approx 10^5$ et
grands nombres de Weber $W_{e} \approx 10^3$. De plus la faible chaleur latente
de l'hélium liquide (20~J/g) permet de faire varier l'importance du
phénomène de vaporisation dans de grandes proportions.
Une première étude à l'aide de micro thermomètres a isolé les rôles
respectifs du fractionnement et de l'évaporation du liquide par le
cocourant gazeux. Pour des jets à fort nombre de Weber, nous avons
montré que le fractionnement du liquide est très efficace et fournit
l'accroissement de surface d'échange nécessaire à l'évaporation rapide.
Une seconde étude par diffusion de la lumière dans l'aérosol d'hélium
a permi de quantifier la disparition d'interface liquide/gaz par
vaporisation. Dans nos conditions expérimentales ($W_{e} \approx
10^3$), nous avons montré que la quantité d'interface au delà du cône
potentiel du jet liquide décroît exponentiellement avec l'excès
d'enthalpie transporté par le gaz.
L'utilisation de fluides cryogéniques pour des expériences
d'hydrodymique a donné lieu à un important dévellopement instrumental
qui est présenté dans ce mémoire.
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