Soutenance de thèse de Romain VALLON
Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
atomisation,jet liquide,statistique,turbulence,DNS,
Keywords
atomisation,liquid jet,atomization,statistics,turbulence,DNS,
Titre de thèse
Atomisation de jets liquides : analyse statistique en champs proche et en champs lointain
Liquid jet atomisation : statistical analysis in the close field and in the far field
Date
Tuesday 9 November 2021
à 14:00
Adresse
IRPHE - UMR7342
49 Rue Frédéric Joliot Curie,
13013 Marseille
Salle de séminaires I
Jury
Directeur de these | M. Malek ABID | IRPHE, Aix Marseille Université |
Rapporteur | Mme Luminita DANAILA | M2C, Université de Rouen Normandie |
Rapporteur | Mme Séverine TOMAS | INRAE |
Examinateur | Mme Caroline NORE | LIMSI, Université Paris Saclay |
Examinateur | M. Emmanuel VILLERMAUX | IRPHE, Aix Marseille Université |
CoDirecteur de these | M. Fabien ANSELMET | IRPHE, ECM |
Résumé de la thèse
La fragmentation des jets liquides est au cur de nombreux processus
naturels - création d'embrun, éternuement, éruption volcanique - ou industriels
- irrigation agricole, impression à jet ou injection dans les moteurs
thermiques. Cette thèse caractérise à l'aide de données expérimentales et de
simulations numériques la population de gouttes créée par la fragmentation d'un
jet dans des configurations proches de celles de l'agriculture. Du côté
expérimental, les données proviennent de mesures vélocimétriques par suivi de
gouttes (DTV) réalisées sur un jet d'eau turbulent injecté dans de l'air au
repos. Du côté numérique, une série de Simulations Numériques Directes (DNS) a
été réalisée pour différents Weber du gaz, c-à-d pour différentes vitesses
d'injection avec une configuration géométrique et physique fixées. L'étude
statistique des gouttes dans le cas de l'expérience et des simulations montre
des résultats qui se corroborent. Une attention particulière est apportée aux
statistiques jointes en taille et en vitesse des gouttes. Notamment, les
statistiques jointes mettent en évidence l'existence de 5 sous groupes bien
définis dans le jeu de données expérimentales et l'existence de 2 sources de
fragmentation dans le jeu numérique. L'étude met en lumière le lien possible
entre les différents sous groupes et les sources de fragmentation qui peuvent
être identifiées dans l'écoulement. Enfin, deux modèles théoriques de nature
très éloignée sont testés pour décrire la distribution en taille des gouttes. Le
premier découle de la mécanique fine prenant place au niveau des ligaments et le
second de l'intermittence interne de la turbulence. Tous deux se montrent
pertinents à différents niveaux. Le modèle s'appuyant sur la mécanique des
ligaments décrit au mieux la distribution en taille en champs proche et la
distribution en taille de chaque sous groupe en champs lointain. La distribution
en taille du jet en champs lointain est bien décrite par le modèle s'appuyant
sur l'intermittence de la turbulence, modèle qui offre aussi une bonne
description qualitative de la distribution en taille de la population en champs
proche. Ceci montre que la validité de chaque modèle ne dépend pas seulement de
la distance par rapport à la buse mais aussi du nombre de sources de
fragmentation. En outre, il ressort qu'utiliser le concept d'intermittence de
la turbulence pour modéliser le processus de fragmentation pourrait améliorer la
description de l'atomisation des jets turbulents.
Thesis resume
The fragmentation of liquid jets takes place in numerous processes which can be
either natural, like ocean sprays, sneezing or volcanic eruption, or industrial,
like farming irrigation, ink printing or thermal engine injection. This thesis
characterises the droplet population created by the fragmentation of a jet
thanks to experimental data and numerical simulations in configurations close to
those of agriculture. Experimentally, the data set comes from Droplet Tracking
Velocimetry (DTV) measurements carried out prior to this thesis on a turbulent
water jet injected into quiescent air. Numerically, a campaign of Direct
Numerical Simulations (DNS) is carried out for different gaseous Weber numbers,
i.e. different injection velocities in the same geometrical and physical
configuration. The statistical study of the droplets for the experimental and
numerical data shows results which are rather similar. It pays a specific
attention to the joint statistics of the droplet size and velocity. Notably, the
joint statistics enable to point out the existence of 5 well defined sub groups
of droplets in the experimental data set and the existence of 2 sources of
fragmentation in the numerical one. The study highlights the possible link
between the subgroups and the different sources of fragmentation identified in
the flow. Finally, two theoretical models of divergent nature are tested out to
describe the droplet size distribution. The first one was derived from the
analysis of the fine mechanics occurring at the scale of ligament-shaped
droplets while the second one was derived from the framework of the internal
intermittency of turbulence. Both of them propose an accurate description at
different levels. The ligament-based model best describes the droplet size
distribution in the close field and the distribution of the subgroups in the far
field. The overall distribution in the far field is well described by the
intermittency-based model, which also describes qualitatively well the size
distribution in the close field. Thus, the validity of each model does not only
depend on the distance from the nozzle but also on the number of fragmentation
sources. Besides, it appears that the concept of turbulence intermittency for
modelling the fragmentation process could improve the description of the
atomisation of turbulent jets.