Expérience Rainbow et étude numérique sur les caractéristiques d'évaporation des gouttelettes

Rainbow experiment and numerical study on the evaporation characteristics of droplets

• Auteur / Autrice : Zhaojing Ni
• Direction : Fabrice Foucher, Kai Han
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Beijing Institute of Technology (Beijing)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Grisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Foucher, Zhenyu Zhang, Baolu Shi, Chenglong Tang, Camille Hespel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Grisch, Gilles Bruneaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gouttes

Simulation par ordinateur

Lumière -- Diffusion

Évaporation

Moteurs -- Injection du carburant

Mesure

Réfractométrie

Équilibre liquide-vapeur

Mots clés libres

Évaporation des gouttelettes

Réfractométrie arc-en-ciel

Modèle d'évaporation binaire

Évaporation préférentielle

Détection de température

Droplet evaporation

Rainbow refractometry

Binary evaporation model

Preferential evaporation

Temperature detection

Résumé

L'évaporation des gouttelettes est omniprésente dans de nombreuses industries et applications biologiques. L'évaporation des gouttelettes dans les moteurs est essentielle pour le comportement de combustion du carburant pulvérisé et les performances d'émission. Les recherches sur le processus d'évaporation de différents types de gouttelettes dans des conditions ambiantes complexes sont essentielles pour obtenir une combustion propre et efficace. Ce travail applique les approches expérimentales et de simulation pour mettre en lumière l'influence conjointe des conditions ambiantes et du type de combustible liquide sur le comportement d'évaporation des gouttelettes. Premièrement, un modèle d'équilibre vapeur-liquide non idéal basé sur le modèle de conductivité et de diffusivité effectives a été créé et validé. Deuxièmement, le système expérimental d'évaporation de gouttelettes basé sur la technique de l'arc-en-ciel a été conçu et mis en place.Un algorithme d'inversion a été proposé en tenant compte de l'impact du gradient d'indice de réfraction et du changement de forme de la gouttelette sur l'angle arc-en-ciel. Les distributions de diamètre et de température des gouttelettes en vaporisation dans des conditions de haute température ont été mesurées simultanément.De plus, les processus d'évaporation de gouttelettes binaires mono et éthanol/heptane dans différentes conditions ont été étudiés avec des méthodes expérimentales et de simulation. Les résultats révèlent une inversion de l'ordre d'évaporation des composants éthanol et heptane à la surface des gouttelettes lorsque le composant plus léger éthanol domine le mélange. La comparaison de l'indice de réfraction entre les mesures de l'arc-en-ciel et les prédictions du modèle confirme la précision du modèle d'équilibre vapeur-liquide non idéal dans la prédiction du comportement d'évaporation préférentiel de la gouttelette binaire pour la première fois.

Droplet evaporation are ubiquitous in many industries and biological applications. The evaporation of droplets in engines is critical for the combustion behavior of fuel spray and the emission performance. The investigations on the evaporation process of different kinds of droplets under complex ambient conditions are essential to achieve clean and efficient combustion. This work applies the experimental and simulationapproaches to shed a light on the joint influence of ambient conditions and liquid fuel type on the evaporation behavior of droplets. Firstly, a non-ideal vapor-liquid equilibrium model based on the effective conductivity and diffusivity model has been created and validated. Secondly, the droplet evaporation experimental system based on the rainbow technique has been designed and established. An inversion algorithm has been proposed by taking into account the impact of refractive index gradient and shape change of droplet on the rainbow angle. The diameter and temperature distributions of vaporizing droplets under high-temperature conditions have been measured simultaneously. Furthermore, the evaporation processes of mono and ethanol/heptane binary droplets under different conditions have been investigated with both experimental and simulation methods. The results reveal an inversion of the evaporation order of ethanol and heptane components at the droplet surface when the lighter component ethanol dominates the mixture. The comparison of the refractive index between the rainbow measurements and model predictions confirms the accuracy ofthe non-ideal vapor-liquid equilibrium model in predicting the preferential evaporation behavior of binary droplet for the first time.