Fragmentation et dispersion aérienne d’une nappe liquide : approches numérique et expérimentale

Thèse en cours

Francisco Felis Carrasco

Date de démarrage : Octobre 2013

• Ecole doctorale : ED353 « Sciences pour l’ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique »
• Université :   Ecole Centrale Marseille
• Discipline :   Mécanique des fluides
• Directeur de thèse :  Fabien ANSELMET (Ecole Centrale Marseille)
• Responsables : Ariane Vallet (UMR ITAP) ; Séverine Tomas (UMR G-EAU)
• Financement :  Bourse du gouvernement chilien « CONICYT Becas Chile »

Mots-clés : dispositifs d’aspersion et pulvérisation; fragmentation du jet liquide; vélocimétrie par images de particules; écoulements diphasiques turbulentes

Résumé :

Jusqu’à présent, Irstea a mené des études sur la fragmentation d’un liquide injecté dans de l’air au repos et sans évaporation (Kadem 2008, De Luca 2009, Belhadef 2012, Stevenin 2012). Plus précisément, M. De Luca a modélisé l’écoulement à l’intérieur d’une buse à turbulence et en proche sortie avec une approche tridimensionnelle, alors qu’A. Belhadef a modélisé, à partir des résultats axisymétriques au col, l’écoulement en aval constitué d’une nappe se dispersant dans l’air à l’aide d’une approche bidimensionnelle axisymétrique. Le modèle, calé par des résultats expérimentaux obtenus par Anémométrie

Phase Doppler notamment, a permis de décrire la dispersion de la nappe liquide dans l’air, ainsi que la taille et la vitesse des gouttes produites à une dizaine de centimètres de la sortie de buse. C. Stevenin, à l’aide d’une approche à la fois numérique et expérimentale, a étudié un jet d’irrigation de la sortie de l’arroseur jusqu’à 3.5 mètres. Du point de vue numérique, il a montré, avec un code académique parabolique simple (Patankar and D.B. Spalding, 1970), que le modèle développé précédemment pour les nappes de pesticides pouvaient décrire convenablement un jet d’irrigation, tant en termes de dispersion liquide que de taille/vitesse des gouttes. Du point de vue expérimental, C. Stevenin a entre autres développé un système d’imagerie permettant de fournir des tailles et vitesses de gouttes du jet plein d’irrigation avec précision : une attention particulière a été apportée à la calibration, à la sensibilité de la détection des gouttes floues sur les images : en effet, peu de gouttes se situent sur le plan focal relativement au nombre de gouttes présentes sur une image. Or, les techniques habituelles rejettent les objets flous (Koh et al. 2001). Afin d’éliminer le moins de gouttes possibles de l’analyse, le diamètre apparent des gouttes a été corrigé à partir des données de calibration.

La thèse consistera en un couplage d’approches numérique et expérimentale dans la continuité de celle de C. Stevenin. Il s’agira désormais de coupler l’écoulement de liquide avec un écoulement d’air de vitesse, orientation et température variables. Dans cette thèse, d’un point de vue expérimental, on étudiera la robustesse du système d’imagerie vis-à-vis d’un autre jet, à savoir une nappe creuse issue d’une buse à turbulence. En effet, le post-traitement des images a été réalisé sur des images de jet plein. Il s’agira cette fois de l’appliquer (et de le modifier) à une nappe creuse. De plus, un système de mesure de la vitesse et la turbulence de l’air par PIV (Particle Image Velocimetry; Fincham, 2003) sera mis en place. D’un point de vue numérique, il s’agira d’une part d’améliorer la description de la turbulence du modèle afin de mieux estimer la dispersion du liquide, sans et avec écoulement d’air (grâce notamment aux données de PIV). Notons que le modèle est basé sur une approche eulerienne à un fluide diphasique. Les modèles classiques de turbulence monophasique ne peuvent donc pas être appliqués simplement. Et enfin, il s’agira de tenir compte des effets thermiques dans les équations de transport du mélange diphasique qui n’ont jusqu’à présent pas été pris en compte.

Dans un premier temps, on considérera un jet liquide plein. La faisabilité de mesures de PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) de l’air sera testée. La dispersion turbulente du liquide sera améliorée. Dans un second temps, une nappe liquide creuse issue d’une buse à turbulence agricole sera considérée. Ce type de nappe est typique de celles utilisées en arboriculture et viticulture. Des comparaisons, en termes de vitesse moyenne, aire interfaciale et diamètres de gouttes permettront de vérifier les améliorations du modèle. Enfin, dans un troisième et dernier temps, les effets dynamiques et thermiques extérieurs seront considérés expérimentalement et numériquement : effet d’un écoulement d’air concourant, vent latéral, variation de la température.