Vaporisation et combustion de gouttes dans les moteurs

Bien connaître les phénomènes en présence, savoir calculer l'évolution d'une goutte ou d'un ensemble de gouttes pour mieux prévoir les performances des moteurs est un objectif qui reste d'actualité. D'abord on a intérêt à ce que l'évaporation et la combustion aient lieu à l'intérieur du moteur et non dans le pot d'échappement (moteurs dits à explosion) ou dans la tuyère (moteur-fusée à ergols liquides par exemple). Il est bon de rappeler par exemple qu'un premier calcul de la taille d'un moteur de fusée est fait à partir de l'estimation de la longueur nécessaire à la combustion complète d'une goutte de combustible injectée à l'entrée de la chambre de combustion. Améliorer l'efficacité de la combustion pour obtenir de meilleurs rendements, mettre au point des moteurs moins polluants sont des motivations actuelles et d'avenir pour les recherches dans ce domaine. Ces rappels montrent l'importance capitale du sujet abordé au travers de quelques-uns des problèmes posés par l'évaporation et la combustion de gouttes.

Dans cet article, le paragraphe 1 est consacré à la génération de gouttes, naturelles (la rosée) ou artificielles (l'injection dans les moteurs, les sprays). Est donc étudiée la formation de sprays par déstabilisation de nappes liquides planes, cylindriques ou coniques. Une place particulière est accordée aux moteurs Diesel. La détermination de la distribution en taille des gouttes est présentée par la méthode du maximum d'entropie appliquée aux nappes minces. Cette méthode atteint ses limites lorsque l'on veut étudier l'atomisation de jets épais, comme c'est le cas dans les moteurs fusées cryotechniques. Une autre méthode consiste à étudier la formation des gouttelettes à partir des ligaments.

Le paragraphe 2 est consacré à la combustion d'une goutte seule, avec des hypothèses simplificatrices diverses, dont l'absence d'interaction avec ses voisines. La célèbre « loi du d² » y est présentée ainsi que les cas où elle n'est plus valable. On traitera en particulier de problèmes d'instabilités de combustion et d'évaporation au voisinage du point critique.

Les ensembles de gouttes (c'est-à-dire les milieux diphasiques et les brouillards) sont évoqués dans le paragraphe 3, surtout dans le cas d'une seule classe de taille. On y introduit les lois d'interaction particule-gaz à partir de la thermodynamique des processus irréversibles appliquée à différentes échelles. Puis est traité un exemple de flamme de brouillard et est abordée la question du rayonnement en présence de suies ou de particules métalliques en fusion.

Le paragraphe 4 fait état d'expériences plus ou moins fondamentales. Y sont évoqués principalement la micropesanteur et le banc de simulation Mascotte de l'Onera. La première est décisive si l'on veut obtenir de grosses gouttes (mieux appropriées à l'observation fine) conservant une configuration la plus sphérique possible (plus faciles à calculer) en évitant la convection naturelle. Le second est un instrument de choix pour étudier ce qui peut se passer dans un moteur cryotechnique.