Stabilité et atomisation des nappes liquides
Résumé
The atomization of a liquid sheet into dispersed droplets is a widespread phenomenon embracing many natural and industrial processes. This experimental study is devoted to the understanding of break-up mechanisms. Two regimes are considered.
The first one corresponds to a stable state, the sheet stays smooth. The sheet is formed by the impact of two round jets at an angle. It is discovered that a coupling between the sheet thickness modulations and capillary destabilization of the rim leads to drops formation. This thickness perturbations are due to the injection conditions which govern the sheet fragmentation.
Because of the velocity difference between the water and the air, a shear instability develops at the interface liquid/gas and antisymetrical waves propagate along the sheet. This second regime is studied by axisymmetric, radially expanding sheets formed by the impact of a liquid jet on a solid surface which oscillates vertically. The waves features created by the impact rod oscillation (velocity, amplitude, ...) are well described by a linear stability analysis. Liquid is submitted to a transient acceleration imposed by the surface undulations. This trigs a Rayleigh-Taylor instability leading to azimuthal thickness modulations. The thickness field governs the rim shape which exhibits cusps, or indentations at the tip of which ligaments emerge and break into drops. A model including the developpement of both instabilities allows us to predict the atomisation characteristics (sheet size, drops velocity and size). Other experimental configurations involving accelerations and sheets thickness modulations are also investigated.
The first one corresponds to a stable state, the sheet stays smooth. The sheet is formed by the impact of two round jets at an angle. It is discovered that a coupling between the sheet thickness modulations and capillary destabilization of the rim leads to drops formation. This thickness perturbations are due to the injection conditions which govern the sheet fragmentation.
Because of the velocity difference between the water and the air, a shear instability develops at the interface liquid/gas and antisymetrical waves propagate along the sheet. This second regime is studied by axisymmetric, radially expanding sheets formed by the impact of a liquid jet on a solid surface which oscillates vertically. The waves features created by the impact rod oscillation (velocity, amplitude, ...) are well described by a linear stability analysis. Liquid is submitted to a transient acceleration imposed by the surface undulations. This trigs a Rayleigh-Taylor instability leading to azimuthal thickness modulations. The thickness field governs the rim shape which exhibits cusps, or indentations at the tip of which ligaments emerge and break into drops. A model including the developpement of both instabilities allows us to predict the atomisation characteristics (sheet size, drops velocity and size). Other experimental configurations involving accelerations and sheets thickness modulations are also investigated.
L'atomisation d'un liquide par l'intermédiaire d'une nappe est un phénomène fréquemment rencontré dans la nature ainsi que dans un contexte industriel tel que la formation de sprays de combustibles dans les moteurs. Cette étude expérimentale vise à rendre compte des mécanismes de brisure des lames liquides. Deux régimes de nappes sont ici considérés.
Le premier correspond à un état stable pour lequel la nappe reste plane. Cet état est étudié à l'aide d'un dispositif formant des nappes par collision de jets cylindriques. Un couplage entre des modulations d'épaisseur de la nappe et la déstabilisation capillaire du bord libre conduisant à la formation des gouttes est mis en évidence. Ces modulations d'épaisseur sont dues aux conditions d'injection et pilotent la fragmentation de la nappe.
Lorsque la vitesse d'écoulement dans la nappe est augmentée, une instabilité de cisaillement avec l'air se développe et la nappe se met à battre tel un drapeau. Ce second régime est étudié à partir d'une nappe formée par la collision normale d'un jet rond sur un cylindre solide pouvant osciller verticalement. Les caractéristiques des ondes générées par l'oscillation du point d'impact (vitesse, amplitude,...) sont correctement prédites par une analyse linéaire. Les ondulations de la surface imposent une accélération transitoire au liquide. Cette situation est instable au sens de Rayleigh-Taylor et conduit à des modulations d'épaisseur transverses à l'écoulement. La modification du champ d'épaisseur conditionne la morphologie du bord libre qui est constitué d'indentations à l'extrémité desquelles des ligaments sont formés et se brisent en gouttes. Un modèle incluant le développement des deux instabilités permet de rendre compte de la caractérisation de la fragmentation de la nappe (lieu de brisure, vitesse et taille des gouttes). Enfin, d'autres situations expérimentales mettant en jeu des accélérations et des modulations d'épaisseur sur des nappes liquides sont également envisagées.
Le premier correspond à un état stable pour lequel la nappe reste plane. Cet état est étudié à l'aide d'un dispositif formant des nappes par collision de jets cylindriques. Un couplage entre des modulations d'épaisseur de la nappe et la déstabilisation capillaire du bord libre conduisant à la formation des gouttes est mis en évidence. Ces modulations d'épaisseur sont dues aux conditions d'injection et pilotent la fragmentation de la nappe.
Lorsque la vitesse d'écoulement dans la nappe est augmentée, une instabilité de cisaillement avec l'air se développe et la nappe se met à battre tel un drapeau. Ce second régime est étudié à partir d'une nappe formée par la collision normale d'un jet rond sur un cylindre solide pouvant osciller verticalement. Les caractéristiques des ondes générées par l'oscillation du point d'impact (vitesse, amplitude,...) sont correctement prédites par une analyse linéaire. Les ondulations de la surface imposent une accélération transitoire au liquide. Cette situation est instable au sens de Rayleigh-Taylor et conduit à des modulations d'épaisseur transverses à l'écoulement. La modification du champ d'épaisseur conditionne la morphologie du bord libre qui est constitué d'indentations à l'extrémité desquelles des ligaments sont formés et se brisent en gouttes. Un modèle incluant le développement des deux instabilités permet de rendre compte de la caractérisation de la fragmentation de la nappe (lieu de brisure, vitesse et taille des gouttes). Enfin, d'autres situations expérimentales mettant en jeu des accélérations et des modulations d'épaisseur sur des nappes liquides sont également envisagées.
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