Analyse de l'épaisseur d'une nappe liquide et de la cinématique de perforation à l'aide de diagnostics optiques conventionnels et temporisés

Analysis of liquid sheet thickness and perforation kinematics using conventional and time-gated optical diagnostics

• Auteur / Autrice : Dilip Sunil Sanadi
• Direction : Jean-Bernard Blaisot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Baillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Hespel, Loïc Méès, Fabien Thiesset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Bailly, Henda Djeridi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie)

Surfaces (physique)

Surfaces -- Propriétés optiques

Lasers femtoseconde

Optique non linéaire

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Nappe liquide plate

Epaisseur

Perforation

Nappe stable et instable

Optique non linéaire

Laser femtoseconde

Imagerie à grande vitesse

Flat liquid sheet

Thickness

Perforation

Stable and unstable sheet

Nonlinear optics

Femtosecond laser

High-speed imaging

Résumé

Déduire l'épaisseur d'une nappe liquide est primordial pour comprendre la physique complexe de la désintégration de ces nappes et de la formation de gouttelettes. En particulier, des trous de perforation apparaissent sur la nappe et s'étendent jusqu'à désintégrer de la nappe entière pour former des ligaments et des gouttelettes. La vitesse d'expansion des trous dépend fortement de l'épaisseur de la nappe liquide locale et des propriétés thermo-physiques du fluide testé. Cet exemple révèle la nécessité d'une étude systématique du problème. Par conséquent, pour la conception de systèmes d'ingénierie, il existe un besoin important de connaître l'épaisseur de la nappe liquide et les régions stables et instables dans la nappe liquide.Le présent travail porte sur le développement et l'application d'une technique non invasive de mesure de l'épaisseur d'une nappe liquide plane. La technique consiste à séparer une impulsion laser de 100 femtosecondes (fs) en une impulsion d'imagerie qui traverse la nappe liquide et une impulsion de déclenchement, qui traverse uniquement l'air et dont la longueur de trajet peut être ajustée en utilisant une ligne de retard. Le délai Δτ entre l'impulsion d'imagerie et l'impulsion de déclenchement est directement proportionnel à l'épaisseur h de la nappe liquide et peut être mesuré à l'aide d'une porte temporelle basée sur la génération de deuxième harmonique (SHG) (ici, un cristal de borate de baryum bêta est utilisé pour la SHG). Afin d'améliorer la résolution de cette mesure, une configuration en ligne originale à deux passages a été conçue, où l'impulsion d'imagerie traverse deux fois le milieu, ce qui augmente le délai entre l'imagerie et l'impulsion de déclenchement. Dans un premier temps, nous avons vérifié la fiabilité de cette technique en effectuant des mesures pour une plaque de verre d'épaisseur connue (h=140 μm). La valeur d'épaisseur mesurée (h =141±1 μm) est en bonne adéquation avec la valeur attendue.Ensuite, l'attention a été portée sur les nappes liquides plates produites par des buses de pulvérisation à trou unique avec diverses solutions eau-glycérol. L'évolution dans le sens de l'écoulement de l'épaisseur de nappe mesurée est en bon accord avec le modèle théorique de Dombrowski et al. jusqu'à une certaine distance en aval de la sortie de buse. Plus en aval, il existe une position où l'évolution de l'épaisseur de la nappe liquide s'écarte subitement de l'expression de Dombrowski. A l'aide de visualisations de l'écoulement, nous avons montré que cette position correspond à l'apparition d'instabilités qui déstabilisent le bord et l'ensemble de la nappe liquide. Ensuite, des expériences de rétro-éclairage à haute vitesse ont été réalisées dans le but de capturer l'expansion de perforation dans les mêmes conditions d'écoulement. Une relation explicite entre la vitesse d'expansion de la perforation ⟨up⟩ et le paramètre géométrique des trous (surface, périmètre) a été induite et utilisée pour caractériser la cinématique des perforations et sa relation avec l'épaisseur locale de nappe liquide. En outre, chaque cas de test de perforation a été analysé méticuleusement, en calculant l'évolution de la zone, la vitesse de convection, la circularité du trou et les fluctuations de l'épaisseur, fournissant ainsi un scénario explicatif aux phénomènes sous-jacents de l'expansion des perforations.

Inferring the liquid sheet thickness is primordial for understanding the complex physics of the liquid-sheet disintegration and droplet formation. In particular, perforation holes appear on the sheet and extend up to the disintegration of the whole sheet to form ligaments and droplets. The expansion velocity of holes has strong dependence on local liquid sheet thickness and thermo-physical properties of test fluid. This example reveals the necessity of a systematic study of the problem. Consequently, for the engineering system design, there exists significant need to have a knowledge of liquid sheet thickness and of the stable and unstable regions in the liquid sheet.The present work focuses on the development and application of a non-invasive technique for measuring the thickness of a flat liquid sheet. The technique consists in separating a 100 femtosecond (fs) laser pulse into an imaging pulse which passes through the liquid sheet and a gating pulse, that travels only in air and whose path length can be adjusted using a delay line. The time delay Δτ between the imaging and gating pulse is directly proportional to the liquid sheet thickness h and can be measured using Second Harmonic Generation (SHG) based time gate (here a Beta Barium Borate crystal is used for SHG). In order to enhance the thickness measurement resolution, an original two-pass inline configuration was designed where the imaging pulse is passing twice through the medium which increases the time delay between imaging and gating pulse. As a first step, we have checked the reliability of this technique by conducting measurements for a glass plate of known thickness (h=140 μm). The measured thickness value (h=141±1 μm) is in close agreement with the expected value.Then, attention has been paid on flat liquid sheets produced by single-hole fan spray nozzles with various water-glycerol solutions. The streamwise evolution of the measured thickness of the sheet exhibits good agreement with the theoretical model of Dombrowski et al. up to certain downstream distance from nozzle exit. Further downstream, there exists a position where the evolution liquid sheet thickness suddenly departs from Dombrowski expression. Using visualizations of the flow, we have identified that this position corresponds to the onset of instabilities that destabilize the rim and the entire liquid sheet. Next, High-speed back-light illumination experiments were performed with the goal of capturing the expansion of puncture at the same flow conditions. An explicit relationship between the expansion velocity of perforation ⟨up ⟩ and geometrical parameter of holes (area, perimeter) was derived and used to characterize the kinematics of perforations and its relation to the local liquid-sheet thickness. In addition, each perforation test case has been analyzed meticulously, by computing area evolution, convection velocity, circularity of hole and fluctuations in thickness which proposes scenario to explain underlying phenomena of expansion of perforation.