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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

Geoffroy VAUDOR

Soutenue le 8 avril 2015

Atomisation assistée par un cisaillement de l’écoulement gazeux. Développement et validation
Jury

Rapporteurs
J. L. Estivalezes, Ingénieur de Recherche, ONERA, Toulouse
S. Vincent, Professeur des Universités, MSME, Marne-la-Vallée

Examinateurs
S. Tanguy, Maître de Conférences, IMFT, Toulouse
S. Zaleski, Professeur des Universités, UPMC, Paris

Directeur
A. Berlemont, Directeur de Recherche, CNRS - CORIA, Rouen

Co-encadrant
Th. Ménard, Maître de Conférences, Université - CORIA, Rouen

Invité
D. Fuster, Chargé de Recherche, UPMC, Paris

L’atomisation assistée permet de transformer un jet liquide en gouttes à l’aide d’un jet gazeux cocourant rapide. Ce procédé est mis en oeuvre dans certains moteurs cryotechniques et systèmes de propulsion aéronautique. L’étude numérique de ces configurations est cependant difficile à réaliser en raison du fort cisaillement couplé au fort rapport de masse volumique entre les phases liquide et gazeuse qui rendent la plupart des solveurs instables dont le solveur ARCHER développé au CORIA. Des développements numériques sur la modélisation des termes convectifs, à partir des travaux de Rudman, ont été réalisés. L’idée conductrice est de rétablir la consistance entre le transport numérique de la masse et celui de la quantité de mouvement. La discrétisation proposée nécessite le transport de l’interface sur une grille duale. Cette méthode s’est avérée stable mais coûteuse numériquement. Une nouvelle discrétisation, permettant de s’affranchir de la seconde grille est proposée et validée sur différents cas tests. Des études expérimentales sur l’atomisation assistées ont été menées au laboratoire du LEGI depuis de nombreuses années et les nouveaux schémas numériques implémentés au cours de ce travail ont permis la simulation numérique d’un film liquide cisaillé 2D et d’un jet coaxial liquide en 3D que l’on a comparés aux résultats expérimentaux.

Assisted atomization enables to transform a liquid jet into drops using a co-flowing high-speed gas jet. This method is applied in cryogenic engines and aircraft propulsion systems. However, numerical study of these configurations is challenging, due to the high shearing associated with the high density ratio between the liquid and gaseous phases, which make most solvers unstable, including the ARCHER solver developed in CORIA laboratory. Numerical developments on the modeling of the convective term based on Rudman’s work have been performed. The main idea is to re-establish the consistency between numerical mass and momentum transport. The original discretization requires moving the interface onto a dual grid. This method has proved to be stable but numerically costly. A new discretization which enables to get rid of the second grid is suggested and validated on different test cases. Experimental studies on assisted atomization have been carried out in LEGI laboratory for years and the new numerical scheme developed during these studies have enabled to simulate numerically a 2D sheared liquid film and a coaxial liquid jet in 3D, which have then been compared to the experimental results.

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