Soutenance mémoire
Génération d’un spray
Un spray est issu de l’atomisation d’une phase liquide dans un environnement gazeux. L’atomisation correspond à la conversion d’un grand volume de liquide en une collection de gouttes et de ligaments. Différentes méthodes existent pour générer un spray, parmi lesquelles forcer le passage d’un liquide à travers un petit orifice/une buse (méthode dite de pression), mettre en rotation le liquide, arracher des gouttes par l’action d’un flux d’air co/ou contre-courant à haute vitesse, faire impacter un jet liquide contre une surface, ou encore utiliser des ondes acoustiques ou des forces électriques. L’essentiel est de créer une force capable de contrer la tension superficielle du liquide pour le fragmenter. En fonction de l’application recherchée pour le spray, l’une ou l’autre de ces méthodes peut être privilégiée. Dans le cadre du refroidissement, les sprays sont généralement obtenus en utilisant des buses générant un spray conique plein ou plat ou encore des buses « swirl », permettant une mise en rotation du liquide.
La forme, les dimensions de la buse ainsi que la pression d’entrée vont définir le régime d’écoulement à l’intérieur de la buse. Ces conditions initiales vont déterminer la vitesse, le diamètre des gouttes, ou encore l’angle de dispersion du spray lorsque celui-ci est pleinement développé.
Processus de pulvérisation
Le processus de génération de gouttes s’appelle également une atomisation. Le processus de pulvérisation commence par forcer le liquide à travers une buse. L’énergie potentielle du liquide (mesurée en tant que pression de liquide pour les buses hydrauliques ou pression de liquide et d’air pour les buses pneumatique) ainsi que la géométrie de la buse font émerger le liquide sous forme de petits ligaments. Ces ligaments se fragmentent ensuite en de très petits « morceaux », généralement appelés gouttes, gouttelettes ou particules liquides.
Le processus de pulvérisation d’un liquide peut être décrit en deux phases :
✦ Casser le liquide en gouttes séparées ;
✦ Orienter les gouttes de liquide vers une surface ou un objet pour obtenir le résultat souhaité.
Les deux phases sont effectuées, par les différents types de buses utilisés dans les processus industriels. Une buse de pulvérisation est un dispositif qui utilise l’énergie de pression d’un liquide pour augmenter sa vitesse à travers un orifice et le briser en gouttes (Fig. I.2). Ses performances peuvent être identifiées et décrites avec précision, de sorte que le concepteur puisse spécifier avec précision la buse de pulvérisation requise pour un processus donné.
Les caractéristiques pertinentes qui identifient les performances d’une buse sont les suivantes :
✦ Le débit de liquide délivré en fonction de la pression d’alimentation de la buse ;
✦ L’angle d’ouverture du spray produit ;
✦ L’efficacité de la buse : le rapport entre l’énergie du spray et l’énergie utilisée par la buse ;
✦ La régularité de la distribution du flux sur la cible ;
✦ La distribution de la taille des gouttelettes du spray ;
✦ L’impact du jet.
Techniques de pulvérisation
Technique de pression
Cette technique et réalisé à l’aide du type le plus simple de buses, où un orifice est ouvert dans une chambre où le liquide à pulvériser est alimenté sous pression. Donc, le fractionnement du liquide est provoqué par la différence de pression qui règne entre l’amont et l’aval de l’orifice.
Technique de turbulence
Dans cette technique le liquide reçoit un composant de vitesse de rotation avant d’atteindre l’orifice , afin de s’ouvrir dans une forme conique dès qu’il quitte le bord de l’orifice en raison de la force centrifuge.
Selon la conception de la buse et la technique utilisée pour générer la vitesse de rotation, les gouttes produites peuvent être sous forme d’un cône creux ; ou bien être réparties de manière à remplir le volume entier du cône (spray à cône plein) .
Technique de déflection
Ces buses produisent un jet plat en déviant le flux de fluide contre une surface courbée après la sortie de l’orifice de la buse. L’impact du liquide sur la surface provoque l’atomisation désirée et la géométrie de la surface de déviation donne sa forme au jet plat. De cette façon, l’orifice de sortie de la buse peut rester circulaire et donc moins sujet aux bouchages .
De nombreux procédés industriels nécessitent la pulvérisation d’un liquide en gouttes fines ou très fines. Ce résultat peut être obtenu en pulvérisant le liquide par des atomiseurs purement hydraulique (précédemment défini). Avec ces derniers, l’atomisation du liquide à pulvériser est créée soit par impact sur une surface, soit par contrainte dans un orifice à la forme désirée. Dans les deux cas, l’énergie nécessaire à cette atomisation provient de l’énergie potentielle du liquide lui-même. En grande partie, l’énergie disponible pour l’atomisation est relative à la pression du liquide. Cependant, de telles méthodes peuvent entraîner deux inconvénients majeurs :
● Nécessite des tubes HP et des pompes à haute pression coûteuses ;
● L’orifice d’un atomiseur hydraulique est généralement exposé au bouchage, ce qui nuit à la fiabilité du système.
Pulvérisation pneumatique
Dans la grande majorité des processus industriels, des atomiseurs assistés par air (pneumatique) sont utilisés. Les atomiseurs d’air utilisent de l’air comprimé (ou un autre gaz) pour briser le flux de liquide et créer l’atomisation. Ce qui veut dire que l’énergie nécessaire n’est plus dépendante de la pression du liquide et une atomisation très fine peut être créé à bas débit. Ce qui permet des vaporisations très fines ne délivrant que peu de liquide. Donc l’air comprimé fourni l’énergie nécessaire pour l’atomisation du liquide. Le mélange peut être effectué à l’intérieur ou bien à l’extérieur de la buse . Cette technologie, bien que relativement coûteuse, permet de produire des gouttelettes fines et très fines afin de satisfaire les exigences de toute application industrielle.
L’utilisation d’air comprimé procure un plus grand niveau de contrôle sur la pulvérisation. En faisant varier la pression d’air, on peut modifier la forme et le niveau d’atomisation sans affecter la pression du liquide à pulvériser. Le seul inconvénient rencontré dans les systèmes de pulvérisation pneumatique est dû aux passages intérieurs étroits ; étant donné que l’eau et l’air doivent être correctement filtrés à l’entrée du système.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I Etat de l’art, Généralités sur la pulvérisation
I. Génération d’un spray
I.1 Processus de pulvérisation
I.2 Techniques de pulvérisation
I.2.1 Technique de pression
I.2.2 Technique de turbulence
I.2.3 Technique de déflection
I.2.4 Pulvérisation pneumatique
I.2.5 Pulvérisation ultrasonique
II. Caractéristiques d’un spray
II.1 Forme du spray
II.1.1 Spray à cône plein
II.1.2 Spray à cône creux
II.1.3 Brume ou brouillard
II.1.4 Jet plat
II.2 L’impact de pulvérisation
II.3 Angle de pulvérisation
II.4 Taille des gouttes
II.4.1 Facteurs influant la taille des gouttes
II.4.1.1 Type et capacité des buses
II.4.1.2 Pression de pulvérisation
II.4.1.3 Le Débit
II.4.1.4 Angle de pulvérisation
II.4.1.5 Propriétés du liquide
II.4.2 Techniques de mesure de la taille des gouttes
II.4.2.1 Technique spatiale
II.4.2.2 Technique de flux
II.4.3 Analyseurs de taille de goutte
II.4.3.1 Analyseurs d’imagerie optique
II.4.3.2 Analyseurs de diffraction laser
II.4.3.3 Sondes à matrice optique
II.4.3.4 Analyseurs de particules Doppler de phase
II.4.4 Statistiques des gouttes
II.4.5 Terminologie taille de goute
II.4.6 Détermination de la taille des gouttelettes
II.5 Capacité de pulvérisation
III. Classification des sprays
III.1 Écoulement phase diluée
III.1.1 Le nombre d’Ohnesorge
III.1.2 Le nombre de Weber
III.1.3 Régime de déformation
III.1.4 Régimes de fragmentation – Mécanismes et résultats
III.2 Caractérisation de l’échelle globale du spray
III.3 La phase continue : l’air
IV. Simulation d’un spray
IV.1 Méthodes et modèles pour la simulation d’un spray
IV.2 Outils de simulations applicables aux sprays
IV.2.1 Simulation eulérienne de la phase continue
IV.2.1.1 Présentation des équations RANS
IV.2.1.2 Modèles de fermeture RANS
IV.2.1.2.1 Le modèle k-ε
IV.2.1.2.2 Le modèle k-ω SST
IV.2.2 Suivi lagrangien de la phase discrète
IV.2.2.1 Équation du mouvement
IV.2.2.2 Force de traînée stationnaire
IV.2.2.3 Force de masse ajoutée
IV.2.2.4 Force de gradient de pression
IV.2.2.5 Force d’histoire
IV.2.2.6 Force de flottabilité
IV.2.2.7 Simplification de l’équation du mouvement pour un écoulement air + gouttes d’eau
IV.2.2.8 Déformation et fragmentation des gouttes
V. Synthèse du chapitre
Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques
I. Refroidissement par spray
II. Mécanismes de transfert de chaleur
II.1 Évaporation de la surface du film liquide
II.2 Convection forcée par impact de gouttelettes
II.3 Zone de nucléation
II.4 Nucléation secondaire par les gouttelettes d’eau
II.5 Conduction transitoire avec remblayage liquide
II.6 Transfert de chaleur de la ligne de contact
III. Pulvérisation et Courbe d’ébullition
III.1 Ebullition nucléée
III.2 Flux de chaleur critique CHF
III.3 Mouillabilité de la surface à refroidir
IV. Paramètres affectant le refroidissement par pulvérisation
IV.1 Positionnement de la buse
IV.1.1 Influence de l’angle d’inclinaison
IV.1.2 Influence de la hauteur de pulvérisation
IV.1 Influence de la pression et du débit de pulvérisation
IV.2 Influence de l’angle de pulvérisation
IV.3 Influence de l’espacement des buses de pulvérisation
IV.4 Influence de la surface d’impacte
IV.4.1 Refroidissement par simple goutte d’impact
IV.4.1.1 Impact sur surfaces sèches
IV.4.1.2 Impact sur films stationnaires
IV.4.1.3 Impact sur films en écoulement
IV.4.2 Refroidissement par impact d’une série de gouttelettes (train de gouttelettes)
V. Nombres adimensionnelles pour refroidissement par pulvérisation
VI. Corrélations pour refroidissement par pulvérisation
VII. Synthèse du chapitre
Chapitre III Etude numérique sur l’effet des paramètres hydrodynamiques sur le refroidissement par pulvérisation
I. Introduction
II. Simulation transitoire du refroidissement par pulvérisation
II.1 Initiation au code COMSOL Multiphysics
II.1.1 Analyse par éléments finis FEA
II.1.2 Méthode des éléments finis
II.1.2.1 Principe général
II.1.2.2 La discrétisation
II.1.2.3 Choix du maillage
II.1.2.4 Principaux types d’éléments utilisé
II.1.2.5 Erreurs et précision
II.2 Description du schéma numérique
II.3 Modélisation et simulation de la problématique
II.3.1 Simulation de l’écoulement du fluide
II.3.1.1 Description des équations de Navier-Stokes
II.3.1.2 Modélisation des équations de Navier-Stokes
II.3.1.3 Régime de l’écoulement
II.3.2 Simulation du spray
II.3.2.1 Modèle Euler-Euler
II.3.2.2 Modèle de mélange
II.3.2.3 Modèle Bubbly flow
II.3.3 Simulation du transfert de chaleur
II.3.3.1 Transfert de chaleur dans le solide
II.3.3.2 Transfert de chaleur dans le fluide
III. Analyses des résultats
III.1 Effet du débit massique
III.2 Effet de la pression du spray
III.3 Influence de la hauteur de la buse de pulvérisation
Conclusion Générale
