Atomisation de gouttes liquides sur une cible tournante microstructurée

Atomization of a liquid drop on a rotating textured target

• Auteur / Autrice : Corinne Durand
• Direction : Laurent Davoust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 28/05/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences et ingénierie des matériaux et des procédés (SIMAP) - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Achard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Davoust
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Planche, Patrick Legentilhomme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de tungstène

Atomisation

Mots clés libres

Atomiseur rotatif

Surfaces texturées

Instabilités capillaires

Sprays

Carbure de tungstène

Poudres

Jets

Films

Rotary atomizer

Textured surface

Capillary instabilities

Spray

Tungsten carbide

Powders

Jets

Films

Résumé

L’objectif de ce travail est de concevoir un outil d’atomisation adapté à la production de poudres de carburede tungstène dans l’entreprise Technogenia, située à Saint-Jorioz (74). Plus généralement, nous avons étudiéune nouvelle conception d’atomiseur rotatif pour lequel les surfaces d’atomisation sont orientées selon un angled’incidence non nul. Une telle orientation permet alors d’exploiter de façon plus efficace la fréquence de rotationde l’atomiseur ainsi que les forces de centrifugation et de Coriolis. A partir de cette base de réflexion, troisgéométries de surface d’atomisation ont été étudiées : des surfaces lisses, des surfaces pourvues de structurationsde long de leur bord de fuite et des surfaces matricées de perforations.Les différents modes de déstabilisation des écoulements liquides ont été observés grâce à l’acquisition de vidéosultra-rapides des différentes étapes de l’impact d’une goutte unique sur les différentes géométries de surfacesd’atomisation étudiées. Les processus d’atomisation peuvent ainsi varier entre la rupture de jets liquides régulierscausée par des instabilités de type Rayleigh-Plateau et la rupture de nappes liquides causée par des instabilitésde type Rayleigh-Taylor et/ou l’initiation de perforations au coeur des nappes et films liquides. Les vidéos dessprays aqueux ainsi que l’observation au microscope des poudres métalliques nous permettent de caractériser lessprays produits. Sur l’ensemble de nos expériences nous observons que la finesse de l’atomisation s’améliore àmesure que la fréquence de rotation augmente ; ce qui constitue l’objectif prioritaire du procédé développé dans lathèse. Cependant, les surfaces texturées, certes compatibles avec les liquides classiques (aqueux ou organiques),ne le sont plus avec les contraintes induites par du métal à haute température de fusion, tel le carbure detungstène fondu objet de la thèse. En conséquence, seules les surfaces lisses sont aujourd’hui retenues et fontl’objet de développements dans le cadre de la production de poudres métalliques au sein de Technogenia.

The aim of this work is to design a spray tool for the production of tungsten carbide powder for the companyTechnogenia, located in Saint-Jorioz (74). Thus, we have studied a new design of rotary atomizer based onatomization surface oriented at a non-zero incidence angle. Such an orientation can then allow to use moreeffectively the rotation frequency of the atomizer and the centrifugal and Coriolis forces. From this base reflection,three geometries of atomization surface were studied : smooth surfaces, surfaces with serrated structurationsalong their trailing edge and multi-perforated surfaces.The different destabilization modes of liquid flows were observed through high-speed videos of the different stagesof the single drop impact on each atomization surfaces. The atomization process can thus vary between liquid jetbreakup caused by Rayleigh-Plateau instabilities and liquid sheet breakup caused by Rayleigh-Taylor instabilitiesand/or initiating of holes in liquid films or sheets. Videos of aqueous sprays and microscopic observation of metalpowders allow us to characterize sprays. On all of our experiments, we observe that the atomisation gets better(producing finer spray), as the frequency of rotation increases. Although the textured surfaces are compatiblewith usual liquids (aqueous or organical), they can’t stand the constraints imposed by metal with a high meltingtemperature such as tungsten carbide, the object of this thesis. Therefore, only the smooth surfaces are nowthe subject of an industrial development to produce metallic powder with Technogenia company.