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EnglishRÉSUMÉ
Atomisation, pulvérisation, brumisation, aérosols… Tous ces termes renvoient au même principe de phases dispersées (dans le sens où ses constituants n'occupent pas un volume connexe), liquides pour les gouttes, solides pour les particules. Les phénomènes liés à l'atomisation rentrent dans le cadre d'étude des jets hétérogènes. Afin de comprendre et prévoir les propriétés des phases dispersées, il est indispensable de connaître les moyens technologiques développés pour les générer. Cet article développe également les aspects fondamentaux des mécanismes présents dans le phénomène d'atomisation.
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Luis LE MOYNE : Docteur en mécanique, habilité à diriger des recherches - Ingénieur de l'École nationale supérieure d'arts et métiers (ENSAM) - Professeur des universités, institut supérieur de l'automobile et des transports, université de bourgogne, Nevers
INTRODUCTION
Les processus de formation de gouttes et particules sont omniprésents dans l'industrie et dans la nature. Mais peu de phénomènes aussi courants ont reçu une appellation si erronée. En effet, bien que souvent on entende parler d'atomisation, on est loin de réduire à l'état d'atomes et les échelles obtenues usuellement restent largement supérieures aux échelles atomiques et moléculaires. Le terme pulvérisation est à peine plus correct car la réduction à l'état de poussière ne s'appliquerait qu'à la création de particules solides. Restent les termes plus vagues comme brumisation, création d'aérosols (particule en suspension), de sprays... En toute rigueur, il faudrait parler de phases (au sens physique relatif à un état de misère) dispersées (dans le sens où ses constituants n'occupent pas un volume connexe), liquides pour les gouttes, solides pour les particules.
Comme on l'a dit, elles sont partout : dans les chambres de combustion des voitures, des avions, des fusées, des chaudières, les traitements de surface (peintures, revêtements, nettoyage...), les traitements thermiques, les inhalateurs en médecine, la parfumerie, l'épandage agricole, les imprimantes et photocopieurs, la fabrication de composants électroniques, les extincteurs d'incendie, mais aussi dans le brouillard, la pluie, les nuages, les éruptions volcaniques, les geysers... De façon générale, l'étude de la formation de gouttes et particules est commune aux processus d'émulsion, de séparation de liquides, de vaporisation et condensation, qu'on veuille accélérer ces processus par la formation de gouttes ou au contraire les ralentir en évitant l'apparition de gouttes.
Cette atomisation, puisque c'est le terme usuel, peut s'obtenir par de nombreux procédés : interaction aérodynamique, mécanique, électrostatique, mais aussi par cavitation, ou même par ultrasons. Les domaines d'application et les moyens d'obtention sont si nombreux qu'il faut restreindre le cadre de l'article aux phénomènes dont le contrôle et les lois de comportement sont les plus difficiles à maîtriser et qui représentent aux yeux de l'ingénieur l'information la plus précieuse. Ainsi, deux cas seront traités uniquement par la suite : la création de gouttes à partir d'un liquide et la création de particules solides à partir d'un corps en fusion. Sont exclus donc en particulier les processus de concassage produisant des poudres solides à partir de corps solides.
Pourquoi atomiser ? En premier lieu, dans les applications des phases dispersées de liquides ou d'alliages en fusion, c'est la très grande surface d'échange offerte par les gouttes qui est utile pour obtenir des taux de réaction, de refroidissement, d'évaporation ou de solidification extrêmement élevés à un coût énergétique faible. Aussi, c'est la taille (et la morphologie) des gouttes créées qui est capitale. Cette taille peut varier de la centaine de nanomètres à quelques millimètres selon les applications. Un choix correct du type d'atomiseur et du processus d'atomisation mis en jeu permet d'obtenir pratiquement n'importe quelle taille moyenne, distribution de tailles et parfois forme souhaitées. Ensuite, lors d'interactions des phases dispersées avec des parois solides de nombreuses réalisations sont possibles, dont certaines destructrices comme l'impact de glace sur les rotors d'hélices ou d'ailes d'avions, de gouttes d'eau sur les aubes de turbine à vapeur, mais d'autres très utiles comme le refroidissement par aspersion ou l'application de peintures.
Enfin, l'atomisation de matières en fusion permet la fabrication de poudres et d'aérosols solides avec des taux de solidification importants résultant dans le captage de certaines formes allotropiques stables à haute température, mais aussi l'homogénéité dans le cas d'alliages, résultant dans des propriétés mécaniques meilleures pour les poudres obtenues par atomisation que par d'autres moyens conventionnels, à un prix souvent avantageux.
Les développements récents de la technologie des atomiseurs, des théories des mécanismes de formation de gouttes, mais aussi du calcul parallèle et des méthodes optiques non intrusives de mesure, ont profondément modifié la compréhension et la portée du processus d'atomisation.
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2. Aspects fondamentaux
Les phénomènes liés à l'atomisation rentrent dans le cadre d'étude des jets hétérogènes, c"est-à-dire l'introduction selon une section semi-infinie d'un fluide dans un autre. Contrairement aux jets homogènes dont les mécanismes et la description sont bien connus, plusieurs mécanismes entrent en jeu pour les jets hétérogènes dont de nombreux aspects sont encore l'objet de recherches.
2.1 Mécanismes de pulvérisation
Afin de provoquer la rupture d'un continuum liquide en parcelles individualisées de dimensions caractéristiques inférieures, il faut vaincre les forces de cohésion au sein du liquide. À partir de quelques dizaines de couches moléculaires lorsque l'hypothèse hydrodynamique s'applique, c"est-à-dire que l'on peut faire l'hypothèse d'un milieu continu, ces forces se traduisent sous forme de viscosité au sein du liquide et de tension superficielle à l'interface liquide/gaz ou liquide/solide. Lorsque la rupture du continuum devient effective, ce sont les forces à l'échelle moléculaire qui rentrent en ligne de compte, représentées le plus souvent par le potentiel de Van-der-Waals.
Au niveau microscopique, le scénario peut être imaginé de deux façons philosophiquement différentes. La première étant celle de la mécanique des fluides, l'étude des instabilités, le calcul de la forme de la surface libre du liquide et sa rupture (Rayleigh et Weber), la deuxième étant celle statistique, s'intéressant aux formes des distributions.
Dans la première approche dite « mécanique », le scénario se déroule de la façon suivante. Sous l'action de certaines forces, la surface liquide prend la forme de vagues qui grandissent jusqu'à faire apparaître des ligaments, des digitations ou des nappes aux extrémités desquelles se détachent des fragments sous l'effet de cisaillements induits par le champ de vitesse. Ces fragments peuvent :
a) Sous l'effet de la tension de surface, donner lieu à des gouttes qui peuvent à leur tour coalescer avec d'autres fragments ;
b) Sous l'effet des mêmes contraintes, se fragmenter à leur tour.
Dans l'approche dite « statistique », le processus d'atomisation peut être envisagé comme une cascade de ruptures le long des échelles dimensionnelles. Les caractéristiques des divisions successives pouvant être les mêmes (auto-similaires) ou pas (dépendant de l'échelle)....
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - LEFEBVRE (A.H.) - Atomization and sprays. - ...
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