Atomisation d'un jet liquide par un courant gazeux
Résumé
The atomisation of a liquid jet into a spray of droplets was studied, in an experimental set-up where its surface is submitted to a fast coaxial gaseous stream. Jet visualisation reveals that drop formation is preceeded by a transient stage of liquid ligaments stretched from the liquid jet. The explanation is that its surface is unstable within the shear flow of gaz. The smooth exiting surface is seeded by growing axisymetric disturbances whose wavelength is fixed by the shear layer thickness. Transverses modulations are superimposed on the crest of these ondulations, their spacing is derived from a balance between capillary forces and gaz inertia. The modulations grow and are stretched by air flow to the stage of ligaments. The future of this ligament is doomed with modulation spacing. The ligament break-up takes place when capillary forces seize and fragment them. This is the birth of droplets whose mean diameter is proportionnal to the modumation spacing. Their large distribution is well accounted for by a model including sizes interaction during break-up. The spray that results from break-ups also displays a large range of diameters. The drop size distribution is exponentially decaying towards increasing sizes. The mean diameter in the spray is proportional to transverse spacing and inversely proportional to the gaz flow velocity.
La fragmentation d'un jet liquide en un spray de gouttelettes est étudiée lorsque sa surface est soumise à un fort courant de gaz parallèle au jet. La visualisation du jet révèle qu'une étape transitoire précédent la formation des gouttelettes est la croissance de ligaments liquides à partir de la surface. En effet la surface est instable vis-à-vis du cisaillement imposé par le courant gazeux. Initialement lisse elle est soumise à des ondulations axisymétriques grandissantes, dont la longueur d'onde est déterminée par l'épaisseur de la couche limite gazeuse. Les crêtes de ces ondulations présentent des modulations transverses dont l'espacement résulte d'une compétition entre les forces capillaires et l'inertie du gaz. L'allongement de ces modulations dans le courant gazeux crée les ligaments de liquide. Le devenir des ligaments est étroitement lié à l'espacement des modulations transverses. Leur brisure, qui se produit lorsque les forces capillaires les fragmentent, est l'acte de naissance de gouttes dont la taille moyenne est proportionnelle à cet espacement. Les tailles sont largement réparties autour de cette moyenne et un modèle basé sur l'interaction des tailles pendant la brisure rend compte de leur distribution. Le spray de gouttelettes qui résulte des brisures des ligaments présente aussi un large éventail de diamètres. Leur répartition est telle que le nombre de gouttelettes d'un diamètre donné décroît exponentiellement avec le diamètre. Le diamètre moyen est aussi proportionné à l'espacement transverse, il est inversement proportionnel à la vitesse du courant de gaz.