Experimental and theoretical analysis of a turbulent two-phase jet

Analyse expérimentale et théorique d'un jet diphasique turbulent

• Auteur / Autrice : Gagan Vikram Kewalramani
• Direction : Nicolas Rimbert, Michel Gradeck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 03/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Zaleski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rimbert, Michel Gradeck, Fabien Anselmet, Mickaël Bourgoin, John Christos Vassilicos, Luminita Danaila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Anselmet, Mickaël Bourgoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Modélisation CFD

Vélocimétrie par images de particules

Écoulement diphasique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Écoulements diphasiques

Sûreté nucléaire

Fragmentation des liquides

Vélocimétrie par image de particules

Dynamique des fluides numérique

Turbulence

Particle Image Velocimetry

Computational Fluid Dynamic

Turbulence

Nuclear Safety

Two-Phase Flow

Liquid fragmentation

Résumé

L'objectif de la présente thèse est d'étudier les jets diphasiques liquide-liquide. Les caractéristiques d'un jet diphasique (distinct d'un jet monophasique) sont la fragmentation du fluide injecté et l'échange d'énergie entre les fluides. La mesure expérimentale de la dynamique des vitesses dans un jet diphasique est habituellement un défi du fait de leur opacité. Pour accéder optiquement à la dynamique d'un jet diphasique, un fluide transparent à indice de réfraction égal à celui de l'eau (appelé fluide Cargille) mais avec une densité environ deux fois plus élevée que l'eau est injecté dans le réservoir d'eau. En ajoutant un colorant fluorescent au fluide transparent et un ensemencement par des particules, la dynamique du fluide est accessible optiquement lorsqu'il est éclairé par un laser. Une procédure pour obtenir des informations sur la dynamique des gouttes et sa relation avec la vitesse du fluide porteur à l'aide d'images acquises à grande vitesse est détaillée dans cette thèse. Pour étudier les jets diphasiques, deux montages expérimentaux (i) JaLaD et (ii) JeDi sont développés. Les travaux de cette thèse peuvent être classés en plusieurs parties qui sont expliquées comme suit. Partie-I : Analyse PTV : l'algorithme de Particle Tracking Velocimetry (PTV) Track est utilisé sur les expériences JaLad. Avec le logiciel de PTV Track, les trajectoires lagrangiennes du liquide fragmenté sont analysées. Une procédure de détection de la fragmentation primaire, des fragmentations secondaires et des collisions a été développé. La méthodologie de la détection de la fragmentation et des collisions est également vérifiée avec des images générées synthétiquement. Partie II : Analyse du jet monophasique : Avant d'aborder la mesure d'un jet diphasique, les jets monophasiques sont étudiés sur les expériences JeDi. Les contraintes turbulentes de Reynolds sont développées pour obtenir une expression mathématique de la dissipation de l'énergie cinétique turbulente et sa dissipation. Partie III : Mesure et analyse simultanées PTV-PIV : dans les expériences JeDi, une mesure simultanée des deux fluides est effectuée. Les méthodes de flux optique et de vélocimétrie par image de particules (PIV) sont utilisés pour mesurer les caractéristiques de la phase dispersée (Cargille) et du fluide porteur (eau) respectivement. Pour cette partie de la thèse, un laser de 527 nm et deux caméras sont utilisées. La caméra 1 avec un filtre passe-haut (λ > 530 nm) et caméra 2 avec un filtre passe-bas (λ < 530 nm) sont synchronisées avec le laser. Les deux systèmes enregistrer des images au même instant dans le temps et visualisent le même plan. Avec cet arrangement, la caméra 1 enregistre uniquement le signal LIF dans le Cargille et la caméra 2 enregistre uniquement le signal PIV dans l'eau. Les images enregistrées sont traitées pour obtenir la vitesse moyenne des deux phases. Un modèle intégral simple pour l'entraînement et l'atomisation basée sur des quantités moyennes eulériennes pondérées par la densité est enfin développée et validé par des résultats expérimentaux.

The objective of the present thesis is to study two-phase liquid-liquid jets. Someof the features of a two-phase jet (distinct from single phase jet) are fragmentation ofthe injected fluid and energy exchange between fluids. Experimental measurementof the velocity dynamics in a two-phase jet is challenging because it's opacity. Tooptically access the dynamics of a two-phase jet, a transparent fluid with refractiveindex equal to water (referred as Cargille fluid) but with density twice as water isinjected into water tank. By adding a fluorescent dye to the transparent fluid andseeding particles to water, the dynamics of both the fluid are accessible opticallywhen illuminated by laser. A procedure to obtain information of the dynamics ofthe drops and its relation with velocity of the carrier fluid using high speed imagesis detailed in this thesis. To study two phase jets, two experimental setup (i) JaLaDand (ii) JeDi are developed. The work in this thesis can be categorized into severalparts that are explained as follows.Part-I: PTV analysis: Particle Tracking Velocimetry (PTV) algorithm Track isused on JaLad experiments. With PTV software Track, the Lagrangian trajectoriesof the fragmented liquid are analyzed. A procedure to detect primary fragmentation,secondary fragmentation and collision is developed. The methodology of fragmentationand collision detection is also verified with synthetically generated images.Part II: Single phase jet analysis: Before stating the measurement of a twophasejet, single-phase jets are studied on JeDi experiments. Relations to describeReynolds turbulent stress are developed to obtain a mathematical expression forturbulent kinetic energy dissipation and its dissipation.Part III: Simultaneous PTV-PIV measurement and analysis: In JeDi experiments,simultaneous measurement of both the fluids is perfomed. Optical flow and ParticleImage Velocimetry (PIV) are used for measuring dispersed phase (Cargille) andcarrier fluid (water) velocity respectively. For this part of the thesis, two lasers andtwo cameras are used. Camera 1 with a high pass filter (λ > 530 nm) and Camera 2with a low pass filter (λ < 530 nm) are synchronized with two lasers. Both systemsrecord images at the same instant in time and view the same plane. With the followingarrangement, Camera 1 only records the LIF signal in Cargille and Camera2 only records the PIV signal in water. The recorded images are processed to obtainthe average velocity of both phases. A simple integral model for entrainment andatomization based on Eulerian mass weighted average quantities is finally developedand validated against experimental results.