Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le phénomène d'atomisation (ou pulvérisation) est présent dans de nombreux domaines industriels (automobile, traitement de surface, médecine, parfumerie, électronique, météorologie, etc.). Les processus et mécanismes physiques mis en jeu sont en général assez simples sur le principe, mais le passage d'une phase continue liquide à une phase dispersée se fait par la déformation puis la rupture de la surface, ce qui implique un certain degrés de complexité. Sont traitées dans cet article les principales voies théoriques explorées pour la représentation de l'atomisation.
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The phenomenon of atomizing (or spraying) is present in many industrial sectors ( automotive, surface treatment, medicine , perfumery, meteorology, etc.) Although the physical processes and mechanisms involved are generally quite simple in principle, the transition from a continuous liquid phase to a dispersed phase is carried out via the deformation and rupture of the surface, which involves a certain degre of complexity. This article deals with the main theoretical ways available in order to represent atomization.
Auteur(s)
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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 : 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.
Les processus et mécanismes physiques mis en jeu sont en général assez simples sur le principe, mais le passage d'une phase continue liquide à une phase dispersée se fait par la déformation puis la rupture de la surface. Cette déformation apparaît subtilement, d'abord comme une perturbation superficielle imperceptible. Puis, grâce à l'amplification par le couplage de forces appliquées au liquide, la perturbation grandit et atteint une amplitude telle que les contraintes appliquées dépassent celles qui permettent la cohésion ; c'est la rupture. Des phénomènes non-linéaires sont donc responsables du passage à la phase dispersée et, par nature, leurs expressions présentent des difficultés aux mathématiciens et aux physiciens voulant prévoir ou reproduire leurs effets.
C'est un domaine où la théorie est encore relativement élémentaire dans le sens où seuls quelques cas d'école d'atomisation (instabilité de Rayleigh) bénéficient d'expressions permettant une quantification précise de la taille et de la vitesse des gouttes produites. Dans la plupart des cas, seules les tendances et les aspects qualitatifs peuvent être reproduits par la théorie. Nous verrons dans cette section quelles sont les principales voies théoriques explorées pour la représentation de l'atomisation de façon aussi exhaustive que possible. Néanmoins, compte tenu du grand nombre de travaux menés sur le sujet et de la complexité de certaines expressions algébriques, nous suggérons au lecteur voulant approfondir le sujet de se référer à la bibliographie.
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Modélisation eulérienne4. Effets de la turbulence
Lorsque les gradients de vitesse sont importants, les échelles de grandeur des instabilités de type Kelvin-Helmoltz d'origine aérodynamique sont relativement faibles et conditionnent le régime d'atomisation, les échelles de turbulence sont plus importantes. Lorsque les vitesses sont plus faibles, les échelles de turbulence, peuvent devenir plus faibles que les longueurs d'onde des instabilités et provoquer une déformation suffisante de la surface pour aboutir au détachement de fragments relativement grands correspondant aux échelles caractéristiques de la turbulence.
Une première approche passe par l'évaluation de l'énergie des tourbillons qui, pour qu'il y ait rupture, doit être égale à l'énergie de tension superficielle. Cette égalité des ordres de grandeurs peut s'écrire :
où λ est la taille des tourbillons, vt la vitesse turbulente radiale ou transversale convectant le tourbillon jusqu'à la surface. Cette vitesse peut s'obtenir des résultats des théories de la turbulence :
où Λ est l'échelle intégrale et v0 la vitesse. Ce qui mène à une relation avec le diamètre d des gouttes obtenues (de l'ordre de l'échelle des tourbillons) :
où le nombre de Weber est formé à partir de l'échelle intégrale et de la vitesse principale de l'écoulement U.
La longueur de rupture Lb peut être estimée en supposant que le ligament créé par le tourbillon sur la surface est de forme cylindrique avec un diamètre λ. Le temps de croissance et de rupture τ du ligament doit être égal au temps que met le tourbillon en sortie de l'injecteur à atteindre la surface :
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - LEFEBVRE (A.H.) - Atomization and sprays. - ...
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