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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

Christian NJE NJE

Soutenue le 14 février 2000

Etude numérique de l’évaporation instationnaire d’un nuage de gouttes multicomposants
Jury

Rapporteurs
Roland Borghi, Professeur à l’Université d’Aix Marseille 2
André Giovannini, Professeur à l’Université Paul Sabatier, Toulouse III

Examinateurs
Gérard Lavergne, Chef de l’Unité Multiphasique Hétérogène de l’ONERA, Toulouse
M.-S. Cabot, Ingénieur de Recherche
Alain Berlemont, Chargé de recherche CNRS, CORIA UMR 6614, Rouen
Gérard Gouesbet, Professeur à l’INSA de Rouen

Les comportements dus à la présence dans une goutte d’un mélange de fluides et les interactions avec les gouttes voisines sont mis en évidence grâce au développement d’un outil numérique.
Une première étape dans l’élaboration du code concerne un modèle d’évaporation quasi-stationnaire d’une goutte multicomposants isolée. Il intègre les variations des propriétés physiques dans les phases liquide et gazeuse avec la température et la concentration ainsi que le chauffage et la diffusion transitoire des espèces dans la goutte. Des comparaisons avec des expériences valident le modèle pour des gouttes mono- et bi-composants. Un balayage paramétrique en terme de température ambiante, de composition des gouttes et la prise en compte des propriétés physiques a été effectué et permet une meilleure compréhension des mécanismes complexes et compétitifs mis en jeu au cours du processus d’évaporation d’une goutte isolée.
L’évaporation de gouttelettes en interaction dans un nuage à l’aide d’un modèle basé sur la notion de sphère d’influence est étudiée. Deux étapes sont définies dans la résolution des équations de conservation : la première consiste à résoudre l’ensemble des équations à l’intérieur de la sphère d’influence, la seconde consiste à résoudre les équations de conservation globales du nuage. Les équations de diffusion instationnaires sont alors résolues du centre de la goutte jusqu’à la surface de la sphère d’influence.
Les comparaisons des prédictions du modèle quasi-stationnaire de gouttes isolées avec celle du modèle instationnaire de gouttes dans un nuage très dilué ont permis une validation partielle de la "règle du tiers". Le cas de gouttes en évaporation dans un gaz à température modérément élevée a permis de dégager les comportements généraux d’un nuage de gouttes en évaporation. L’effet de l’espacement initial des gouttes met en évidence des possibilités de saturation et d’arrêt de la vaporisation.

Behaviors of droplets in the presence of a fluid mixture and the interactions with neighbouring drops are highlighted by numerical simulation.

A first step in the development of the code deals with a quasi-steady model of an isolated multicomponent droplet vaporization which accounts for the variations of thermophysical properties with temperature and species concentration within the liquid and gas phases, and involves the droplet heating and the transient diffusion of species within the droplet. Comparisons with experiments validate the model for mono- and bi-component droplets. A parametric study, in term of ambiant temperature, droplet composition and thermophysical property variations, is carried out and leads to a better understanding of the complex and competitive mecanisms during the process of an isolated multicomponent droplet vaporization.
The evaporation of interacting droplets in a cloud is studied using a model which is based on the concept of the sphere of influence. Two steps are defined in the resolution of the governing equations. The first one consists in solving the set of conservation equations for droplet vaporization within the sphere of influence, the second step consists in solving the set of the global conservation equations of the cloud. The unsteady governing equations are then solved from the center of the drop to the edge of the sphere of influence.
Comparisons of the quasi-steady model predictions for isolated drops with unsteady model predictions for droplets in a very dilute cloud lead to a partial validation of the one third rule. The study of vaporizing drops in a gaz at moderately high temperature gives a description of the behavior of a cloud of vaporizing droplets. The initial drop spacing influence highlights the possibilities of saturation or complete evaporation inside the cloud.

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