Étude de l’atomisation en sortie d’une section millimétrique rectangulaire
L’atomisation de gouttelettes en sortie de canal est l’objet d’une étude expérimentale. Le but de cette expérience est de recréer les conditions d’atomisation à la sortie d’un canal millimétrique dans lequel circule un écoulement diphasique eau/air représentatif de la configuration industrielle. Dans ces conditions, il est possible de visualiser les régimes d’écoulements, comptabiliser les gouttes ainsi créées et corréler les deux. On présente dans cette section le dispositif expérimental, les techniques d’acquisition et de traitement d’images et les premiers résultats.
Dispositif expérimental
L’expérience mise en place doit permettre d’étudier une gamme de paramètres suffisamment large pour observer les différentes configurations d’atomisation pouvant se produire. Dans cette optique, le matériel choisi et l’agencement des différents organes sont tels que l’expérience est non seulement démontable et ré-organisable, mais aussi représentative du cas industriel. C’est dans cette optique que les pièces ne sont jamais collées ou soudées. L’étanchéité entre les plaques de verre nécessaires à la visualisation par ombroscopie et le canal en aluminium est assurée par un joint en téflon mis en pression par quatre pièces comme le montre le schéma du dispositif :
Acquisition d’images
L’acquisition d’images concernant l’atomisation de gouttes a été réalisée à l’aide d’une caméra Phantom (V1210). La fréquence d’acquisition a été fixée à 11303 images par secondes, ce qui correspond pour une vitesse nominale de 10m/s à un espacement nominal de 0.88 mm. La résolution choisie pour l’image est de 1280×800 pixels, soit jusqu’à environ 0.02 mm par pixel. Afin d’éviter le flou de bouger, le temps d’exposition a été réduit à 25μs, soit une finesse de trait de 0.2 mm. Cette dernière caractéristique n’est pas acceptable pour la détection de gouttes pouvant avoir un diamètre équivalent.
Pour remédier au problème de flou de bouger, la section est placée entre la caméra et une backlight pulsée de fréquence inférieure au temps d’exposition (de l’ordre de la micro seconde, ce qui correspond à un flou de bouger de 2 pixels maximum).
La diffraction des rayons lumineux à l’interface entre l’eau et l’air induit une baisse de l’intensité perçue par la caméra : c’est ce principe d’ombroscopie qui permet la visualisation des gouttes dans la zone observée. Dans le but d’obtenir des images avec des luminosités équivalentes, un dispositif de générateur d’impulsion est connecté à la caméra et à la backlight pour qu’à chaque image corresponde un flash lumineux et un seul.
Une fréquence d’acquisition de l’ordre de 100Hz est suffisante pour visualiser les régimes d’écoulement.
La détection et le suivi de gouttes ont été fait à partir d’un code déjà développé dans un autre contexte par Sylvain & Boulesteix à l’IMFT. Le principe est le suivant :
1. Identification des gouttes :
Les contours sont repérés grâce au gradient d’intensité des pixels et reformés à l’aide de routines permettant d’obtenir pour chaque objet fermé identifié son contour, voir Fig. 2.
2. Suppression de l’effet d’escalier :
Les profils de gouttes identifiés sont limités par la résolution de l’image. Cela donne lieu pour des gouttes de petites dimensions à un effet d’escalier dû à la forme carrée des pixels. Afin de déterminer plus finement les tailles des gouttes et leur déformation, un algorithme permet de lisser les contours de gouttes. Son principe s’inspire de la tendance qu’a un volume liquide à minimiser son énergie de surface. Une courbe interceptant au mieux les pixels et dont l’énergie tend à être la plus basse possible est ainsi tracée. Un exemple est reporté sur la Fig. 3.
3. Reconnaissance et suivi de gouttes :
Afin de ne compter chaque goutte qu’une seule fois et de ne pas favoriser celles qui apparaissent sur plus d’images que d’autres, le module de suivi de gouttes utilisé par S. Boulesteix a été adapté et utilisé pour notre cas. Sur chaque image, certaines caractéristiques de chaque goutte comptabilisée sont enregistrées :
- Sa surface
- Les coordonnées de son centre de gravité
- Les composantes de vitesse de son centre de gravité
- Sa déformation (par rapport à une sphère de rayon équivalent)
On compare alors les caractéristiques de l’ensemble des gouttes de l’image avec celles des deux images précédentes. L’identification qui en suit est inspirée de la méthode de suivi Multi-Hypothèse : toutes les associations de gouttes entre les images sont envisagées. L’association retenue est celle qui est la plus probable au regard de critères logiques :
- faible différence de surface
- coordonnées des centres de gravité cohérentes avec leur vitesse à l’instant précédent
La possibilité qu’une ou plusieurs gouttes se scindent ou se divisent (atomisation secondaire) est aussi prise en compte. La déformation de la goutte est de plus utilisée comme indice d’un éventuel fractionnement. Dans notre cas, on s’attend à ce que les gouttes de Webber Important soient allongées à cause de la géométrie du système. L’indice de déformation est donc calculé à partir d’une ellipsoïde plutôt qu’une sphère :
Premiers résultats
A) Régimes d’écoulement
Dans un premier temps, une large gamme de débits d’entrée a été balayée pour visualiser tous les régimes d’écoulement susceptibles d’avoir lieu dans la conduite. On a observé trois régimes :
1. Écoulement en film. Le liquide est drainé en sortie sans s’atomiser.
2. Écoulement en vagues. Des vagues se forment périodiquement dans le canal et peuvent s’atomiser en sortie.
3. Écoulement en bouchons. Des bouchons sont formés périodiquement et sont atomisés en sortie de canal.
Une cartographie des régimes a ainsi pu être réalisée :
B) Processus d’atomisation
Deux phénomènes menant à l’atomisation ont été identifiés lorsque le bouchon de liquide est « soufflé » en sortie de canal.
1. La fragmentation du bouchon par les forces capillaires qui advient lorsque celui-ci est éjecté. Elle entraîne la formation de grosses gouttes (de l’ordre du mm).
2. L’atomisation d’une poche liquide formée à l’arrière du bouchon. Une membrane liquide se forme après l’éjection du bouchon et éclate sous la pression de l’air. Ce phénomène entraîne une multitude de petites gouttelettes de tailles allant au moins de la centaine de micron jusqu’au demi millimètre.
