Détonations dans les aérosols de gouttelettes de carburants liquides : étude de l'influence de la granulométrie des gouttelettes

Detonations in fuel/air spray mixtures : study of the influence of droplet size Detonation

• Auteur / Autrice : Modou Mar
• Direction : Bernard Veyssière, Boris A. Khasainov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomiseurs

Écoulement diphasique

Simulation par ordinateur

Aérosols

Ondes de choc

Ondes de détonation

Mots clés libres

Détonabilité

Structure cellulaire de détonation

Désintégration de goutelettes

Résumé

On a étudié la détonation de milieux hétérogènes composés d'aérosols de gouttelettes de carburants liquides dans de l'air, dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, et plus particulièrement l'influence de la granulométrie des gouttelettes sur les conditions d'existence d'une détonation, ses caractéristiques de propagation et l'existence d'une structure cellulaire analogue à celle observée dans les mélanges gazeux homogènes. Avec des carburants volatils (Heptane, Isooctane) la structure cellulaire a été mise en évidence pour des gouttelettes de diamètre d0=8 μm. En revanche, pour d0=30 ou 45 μm, on observe soit la détonation hélicoïdale, soit un régime limite de détonation avec de grosses cellules assez irrégulières. Dans des carburants moins volatils (Octane), des détonations n'ont été observées que pour d0=8 et 30 μm, alors que pour d0=45μm, la détonation ne s'établit pas, quelle que soit la richesse. Dans le cas de carburants peu volatils (Décane ou Dodécane), il n'est pas possible d'initier une détonation pour d0=30 ou 45 μm, mais seulement pour d0=8 μm, avec la structure cellulaire dans le cas du décane, et le régime de détonation hélicoïdal avec le dodécane. Un modèle numérique a été développé pour simuler les détonations dans des mélanges hétérogènes gaz/gouttelettes liquides. Pour d0=30 μm et d0=45 μm, il est nécessaire de prendre en considération la désintégration mécanique des gouttelettes sous l'effet du choc incident pour obtenir une détonation. Pour d0=8μm, l'étape de la désintégration n'est pas requise. Les résultats concernant l'influence de d0 sur la taille de la cellule l de détonation sont en accord raisonnable avec les expériences.

Detonation of heterogeneous media composed of liquid fuel sprays in air has been investigated in a square cross section (53x53mm), 4-meter long detonation tube. Particular attention was paid to the influence of the droplet size on the conditions of existence of the detonation, its characteristics of propagation and the existence of a cellular structure similar to that observed in homogeneous gaseous mixtures. With volatile fuels (Heptane, Isooctane), the cellular detonation structure was displayed for droplets of diameter d0=8 μm. On the other hand, for 30- or 45-μm droplets, either a spinning detonation or a limit detonation mode, with large and irregular cells, can be observed. In less volatile fuels (Octane), detonations were observed only with 8- and 30-μm droplets, whereas with d0=45-m droplets, the detonation cannot be established whatever the equivalence ratio. With low volatile fuels (Decane or Dodecane), it is not possible to initiate a detonation for d0=30 or 45 μm. The detonation was obtained only for d0=8 μm droplets, with the cellular structure in the case of decane, and the spinning regime with dodecane. A numerical model was developed to simulate the detonations in heterogeneous mixtures gas/droplets. For d0=30μm and d0=45μm, mechanical disintegration of the droplets under the effect of the shock must be taken into account to obtain a detonation. For d0=8μm, the disintegration is not necessary. The results concerning the influence of the droplet size on the dimensions of the cellular detonation structure are in reasonable agreement with the experiments.