Amélioration de la pulvérisation d’un film liquide dans un injecteur aérodynamique par une excitation ultrasonique

Other literature type French OPEN
Boukra, Madjid (2011)
  • Subject: Injecteur aérodynamique, Pulvérisation ultrasonique, Atomisation d’un film liquide, Instabilités de cisaillement | 532

La pulvérisation de liquide représente un processus utilisé dans de nombreuses applications industrielles et en particulier dans le domaine des moteurs aéronautiques. Les injecteurs aérodynamiques des turboréacteurs actuels utilisent le cisaillement d’air pour atomiser le carburant liquide. Cependant, dans certaines conditions telles que l'allumage en haute altitude, la vitesse de l’air, la pression et la température sont trop faibles pour permettre une bonne pulvérisation. L’objectif de cette recherche est de valider un nouveau concept d’injecteur couplant les effets de cisaillement aérodynamique avec l’atomisation ultrasonique. Des actionneurs piézoélectriques génèrent l’oscillation d’une paroi en contact avec le film liquide. Cette excitation perpendiculaire à l’interface liquide/air crée des instabilités de Faraday à la surface du film. Des amplitudes d’excitation supérieures à un seuil donné, provoquent la rupture de ligaments et la formation des gouttelettes. Ce second mode d’atomisation sera utilisé en complément pour les régimes de fonctionnement où l’atomisation par cisaillement ne parvient pas à assurer une formation d’un brouillard de qualité. Deux injecteurs aérodynamiques ultrasoniques (2D plan et axisymétrique) ont été mis en place pour étudier l’influence des différents paramètres (conditions d’excitation, propriétés physiques du liquide, épaisseur du film liquide et la vitesse débitante) sur les caractéristiques du brouillard formé par une excitation ultrasonique. Enfin, une étude de la combinaison des deux modes de pulvérisation du film liquide a été effectuée. Atomization of liquids in a spray is an important process in many industrial applications and particularly in the aero-engine field. Conventional air-blast injectors in today’s aircraft engines use aerodynamic shearing effects to atomize the fuel. This high shear effect causes the disruption of the liquid film in a spray of fine droplets. The smaller the droplets, the better the mixing process between air and fuel. Thus the efficiency of the combustion and the level of pollutant emissions depend on the ability of the pulverization to produce very small droplets. However, in some conditions such as high-altitude re-ignition, air speed, pressure and temperature are too low to allow a good pulverization. The objective of this study is to validate a new concept of injectors which couples the shearing effects with the principle of ultrasonic atomization. The latter consists of using piezoelectric actuators to generate the oscillations of a wall in contact with the liquid film. This ultrasonic excitation perpendicular to the liquid film surface creates Faraday instabilities at the liquid/air interface. Amplitudes higher than a defined threshold value induce the break-up of ligaments and the formation of fine droplets. As result, Faraday’s instabilities are generated at the interface leading to the production of droplets which size and acceleration threshold are dependent on the excitation parameters (oscillation frequency and amplitude) and liquid properties (density and surface tension). The Sauter mean diameter of the spray decreases with the increasing working frequency. Experimental work using flow visualization and measurement of particles size by PDA show the influence of ultrasonic excitation (amplitude and frequency) on the characteristics of the spray (particle size, droplets velocities) according to the flowrate of the liquid film and the aerodynamic shear rate.
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