Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence

Dans le cadre de la combustion des moteurs aéronautiques, des injecteurs de type airblast sont utilisés. Un fort écoulement d’air va perturber le carburant qui est ainsi pulvérisé en fines gouttes dans la chambre de combustion. La modélisation de ce phénomène nécessite une compréhension plus approfondie des mécanismes intervenant lors de l’interaction des deux fluides et en particulier l’influence des conditions limites. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’inscrit dans cette problématique en étudiant expérimentalement l’influence des épaisseurs des écoulements, de la configuration de l’écoulement d’air ainsi que celle de l’ajout et de la taille d’une zone de pré-film.La mise au point ou le perfectionnement de techniques de mesures ont ainsi été nécessaires afin de caractériser le processus d’atomisation. Des mesures de fréquence d’oscillation, de longueur de rupture, d’épaisseur liquide et de tailles de gouttes ont été réalisées permettant de mettre en évidence l’influence des différents paramètres précédemment cités. Des corrélations ont ensuite été proposées afin de prévoir l’évolution du processus en fonction des conditions limites du système d’injection. / In the context of combustion for aeronautical engines, airblast injectors are used. A strong air flow perturbs the fuel, which is atomized in fine drops in combustion chamber. Modeling of this process requires a better understanding of mechanisms occurring during two fluid interaction and in particular boundary condition influence. The work realize during this PhD thesis corresponds to this problematic by studying flow thickness and air flow configuration influences as well as the one of the presence and the length of a prefilming zone.Development and improvement measure techniques have been necessary in order to characterize atomization process. Oscillation frequency, breakup length, liquid thickness and drop size measures have been realized what has enabled to highlight the influence of previously listed parameters. Correlations have been then proposed so as to predict process evolution according to boundary conditions of injection system.

Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence / One way to increase efficiency and reduce pollution in the transportation and energy domain is designing fuel injectors with better atomization. In this thesis, experiments were performed on a prefilming airblast atomizer often used in gas turbines. For this purpose, a model device with a cylindrical configuration was created to study the shearing of a film of water subjected to an internal high speed air flow. High speed shadowgraphy technique was used to analyse the development of the liquid film (frequency and wave celerity) and the atomization of the sheet at the injector outlet (breakup mode). The modification of the injection parameters (velocity of flows) revealed a link between the topology of the liquid film and the primary atomization regime. Finally,the influence of the geometry of the injector (prefilming length) about the mode of primary atomization was also highlighted with an exploratory study

When an explosive detonates above ground, air is principally the only material involved in the transmission of shock waves that can result in damage. Hydrodynamic codes that simulate these explosions use equations of state (EOSs) for modeling the behavior of air at these high-pressure, high-velocity conditions. An investigation is made into the effect that the EOS selection for air has on the calculated overpressure-time waveforms of a blast event. Specifically, the ideal gas, Doan-Nickel, and SESAME EOSs in the SHAMRC code were used to reproduce experiments conducted at the Blast Load Simulator (BLS), a large-scale shock tube operated by the U.S. Army Engineer Research and Development Center, that consisted of subjecting an instrumented rigid box at three angles of orientation inside the BLS to a blast environment. Numerical comparisons were made against experimentally-derived confidence intervals using peak values and several error metrics, and an attempt was made to rank the EOS based on performance. Issues were noted with the duration of decay from maximum pressure to negative phase that resulted in a general underprediction of the integrated impulse regardless of EOS, while the largest errors were noted for gages on faces at 45 to 90 degrees from the initial flow direction. Although no significant differences were noticed in the pressure histories from different EOSs, the ideal gas consistently ranked last in terms of the error metrics considered and simultaneously required the least CPU hours. Similarly, the Doan-Nickel EOS slightly performed better than SESAME while requiring additional wallclock time. The study showed that the Doan-Nickel and SESAME EOSs can produce blast signatures with less errors and more matches in peak pressure and impulse than the ideal gas EOS at the expense of more computational requirements.

Detonation of an explosive charge, such as a mine or an improvised explosive device (IED) at the ground surface or buried at shallow depth in soil, can produce high airblast pressures and significant dynamic soil debris loads on an overlying or nearby structure, such as a vehicle passing over the explosive. The blast loading environment is a function of many factors including the explosive type, configuration, mass, and depth of burial, soil characteristics, and the distance between the ground surface and the structure or object. During the past several years, the US Army has focused considerable attention on developing improved methods for predicting this environment, particularly for use by vehicle/armor analysts, thereby, improving the survivability of these platforms. Research is needed to better understand the aboveground environment created by the detonation of a shallow-buried explosive in order to design adequate protective measures for an aboveground structure. Unfortunately, there is no accurate methodology for predicting these airblast and soil debris loads to support the designs. Development of the required prediction tools is hampered by lack of well controlled and documented experimental results for these complex loads. Without detailed experimental data, the numerical simulations of these loads cannot be adequately validated for the large deformation, stress, and motion gradients and the resulting interactions with structures. The focus of this research is to quantify the influence of soil properties on the aboveground environment from the detonation of a bare explosive charge resting on the soil surface or shallow-buried. In order to fully quantify the influence of soil parameters, well-controlled experiments were designed to directly measure soil debris and airblast loadings on an aboveground reaction structure due to the detonation of explosives at the surface of and shallow buried in three very different soils. The experiments were performed using specifications and strict quality controls that limited the influence of outside variables and ensured the experiments were repeatable. The experiments provided blast pressure, soil stress, and impulse data for each soil type. These data were analyzed to investigate the influence of the properties of the different soil types on the aboveground environment.

Eight flush mount pressure sensors were used in a series of 3 test sequences to measure air overpressure produced by a firecracker. Overpressure was recorded at a range of 1 inch to 21 inches away from detonation, and charge weight was determined to be 0.1mg of black powder. Air overpressure prediction equations were developed from test series then compared to collected data for subsequent tests. Overpressure wave velocity was measured using wave arrival time and distance between sensors. This wave velocity was compared to calculated wave velocity using overpressure and ideal gas law. Overpressure and wave velocity are directly related to each other in shock wave behavior. The goal of these tests was to identify at what point the in elastic-plastic region the overpressure wave no longer closely resembled a shock wave, but an elastic wave instead.

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Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide. / Aeronautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flow field. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objectives of this thesis is to develop phenomenological models describing the liquid phase, in particular the film and its atomization at the injector atomizing lips, in the context of LES. These models are validated or calibrated on the academic experiment performed at Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and applied to a helicopter engine real configuration. In a first step, the thin liquid film is described by a Lagangian approach. Film particles represent an elementary volume of liquid at the wall surface. The equation of motion is given by integrating the Saint-Venant equations over the film thickness. The film dynamics derives from the pressure gradient, the interfacial shear and gravity. In a second step, the film breakup is characterized by the drop size distribution of the spray. The former one is described by a Rosin-Rammler distribution, whose coefficients depend on the gas velocity, the liquid surface tension and the atomizing edge thickness of the injector. The model, labelled PAMELA, is calibrated from the KIT-ITS experiment. The simulation of the KIT-ITS experiment allows to validate the film model, to check PAMELA robustness, and to compare qualitatively the spray angle. The application of these models in a real configuration allows to check PAMELA robustness without constants modification, and to study their impact on the flame structure, in comparison with usual methods of liquid injection.

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Für technische Zerstäubungsprozesse wird häufig eine Flüssigkeitsmenge durch die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeitsgases in einem Luftstromzerstäuber in Einzeltropfen dispergiert. In einem Prefilming-Luftstromzerstäuber befindet sich die zu zerstäubende Flüssigkeit zuerst auf einer Oberfläche (Prefilming-Oberfläche) um einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu bilden, bevor sie einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom ausgesetzt wird. Das erste Ziel dieser Untersuchungen ist, den Zerstäubungsmechanismus der Prefilming-Zerstäuber zu verstehen und den Effekt variierender Parameter des Sprühsystems beim Zerfallsmechanismus zu ermitteln. Zerfallsregime in der Nähe des Zerstäuberauslasses wurden mittels Schattenverfahren und begleitend durch Partikelverfolgung bestimmt. Im nächsten Schritt wird die Sprühleistung des Prefilming-Luftstromzerstäubers in einer Reihe von Testbedingungen charakterisiert. Die Sprühcharakterisierung wurde mittels Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) durchgeführt um den Einfluss verschiedener Parameter auf die lokale Tropfengröße und Geschwindigkeit im Spray zu untersuchen. Zuletzt werden Zukunftsansätze zu Entwicklung und Design eines Prefilming-Luftstromzerstäubers aufgezeigt. Um einen einzigartigen funktionellen Zusammenhang der experimentellen Daten zu entwickeln, wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt. Darauffolgend zeigt der Einfluss von zwei dimensionslosen Kennzahlen unterschiedliche Sensitivitäten in Abhängigkeit vom Druckbereich und es wurde durch Anpassen der Daten eine geeigneten Korrelationsfunktion hergeteiltet. / A bulk of liquid dispersed into single droplets using the kinetic energy of a high-velocity gas in an air-blast atomizer is frequently employed in technical atomization processes. In a prefilming air-blast atomizer, the atomizing liquid is primary situated on a surface (prefilming surface) to form a thin liquid film before exposing to a high-velocity air flow. The first purpose of this study is to understand atomization mechanisms close to prefilming atomizers and to determine the effect of spray system parameter variations on breakup mechanisms. Breakup regimes in the vicinity of the atomizer exit were determined using the shadowgraphy technique associated with particle tracking. In a next step, the spray performance of prefilming air-blast atomizers are characterized in a wide range of test conditions. For the spray characterization, a phase Doppler anemometry (PDA) was utilized to investigate the influence of variable parameters on the local droplet size and velocity in a spray. Finally, prediction approaches are determined for the development and design of a prefilming air-blast atomizer. In order to develop a unique functional relationship from experimental data, a dimensional analysis has been performed. Subsequently, the influence of two main nondimensional numbers shows different sensitivities depending on the pressure range and was quantified by fitting the data to appropriate correlation functions.