Ce travail vise à modéliser les jets diphasiques de gaz liquéfiés et s'intéresse en particulier à la vitesse et au diamètre des gouttes formées au voisinage de l'orifice ( diamètres de brèche compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de centimètres ). Le modèle calcule l'évolution le long du jet de la température, de la concentration en fluide, de la taille et de la vitesse des gouttes et calcule surtout la fraction de « rain-out » (liquide qui se dépose au sol). Ce travail est une contribution au développement d'outils pour estimer des distances de sécurité dans le cadre des études de danger.<br />Une campagne expérimentale a permis de mesurer le débit du jet, le diamètre et la vitesse des gouttes qui résultent de sa fragmentation , ainsi que la fraction de « rain-out ». Fluide : eau surchauffée ; températures de réservoir : 110 à 160°C ; pressions de réservoir : 3 à 10 bar abs ; géométries de la brèche : orifices -diamètres 2 et 5 mm- et conduites -diamètre 2 mm, longueur 100 mm et diamètre 5 mm, longueur 250 mm-.<br />Les mesures nous ont permis de valider le modèle proposé pour le débit de l'écoulement dans une conduite ou un orifice, ainsi que pour le jet de brouillard. Les mesures de distribution granulométrique des gouttes nous ont permis de mettre en évidence une population de « grosses gouttelettes » (150 µm < d < 600 µm), très minoritaires en nombre, mais qui représentent plus de 80 % de la masse. Même si l'existence de ces « grosses gouttelettes » n'a jamais encore été signalée dans la littérature et si le mécanisme physique qui les génère n'est pas élucidé, elles nous paraissent nécessaires pour comprendre le caractère hétérogène du « rain-out » : l'observation montre clairement des gouttes qui tombent sous le jet de brouillard.<br />Partant d'un échantillon parmi nos mesures et celles du CCPS sur d'autres fluides (CFC-11, Cyclohexane, Méthylamine, Cl2), nous avons proposé une corrélation pour le diamètre « nécessaire » des gouttelettes (celui qui conduit le modèle à prévoir le « rain-out » correct). Notre modèle, complété par cette corrélation, permet de prévoir la fraction de « rain-out » à [-10 %, +30 %] près, soit une amélioration significative de l'état de l'art.

Le présent travail a pour objet, l'étude macro et microscopique des sprays diesel injectés à hautes pressions par le système d'injection Common-Rail à travers un injecteur mono trou de petit diamètre dans un environnement inerte isotherme, évitant l'évaporation du combustible à pression de gaz élevée. L'étude effectuée est une contribution aux recherches, menées sur les sprays diesel complètement atomisés dès la sortie de l'injecteur, et présente une base de données solide pouvant servir entre autres à la validation des codes de calcul de simulation (computational fluid dynamics: CFD). Deux techniques sont utilisées: D'une part, la technique d'ombroscopie qui permet l'étude macroscopique du spray diesel (pénétration, angle du cône et volume du spray), et d'autre part, la technique de l'anémométrie phase Doppler (PDPA) (mesures de la vitesse et du diamètre des gouttes), utilisée pour l'étude microscopique. La combinaison des deux techniques permet une quantification de la concentration du combustible. La corrélation des paramètres macroscopiques s'ajuste parfaitement aux mesures de la pénétration après le temps de transition sans la prise en compte de l'angle du cône du spray. Cette corrélation semi-empirique ressemble à l'expression obtenue par l'analyse dimensionnelle se basant sur une forme du débit massique rectangulaire. La pénétration durant la phase de transition est modélisée par une loi linéaire en fonction du temps. La prise en compte de l'angle du cône du spray dans la corrélation améliore l'ajustement. L'angle du cône du spray est dépendant de la masse volumique du gaz. La valeur de l'angle du cône est de 36° pour le cas d'une masse volumique du gaz égale à 30 kg/m3. Pour l'étude microscopique, le spray est divisé en trois parties; le bord d'attaque "BA", la partie centrale "PC" et le bord de fuite "BF". La durée d'injection dans ce cas est ramenée à 3ms au lieu de 1.5ms pour allonger la PC du spray. Les évolutions temporelles de la vitesse moyenne et de la rms de la vitesse longitudinale des gouttes montrent des pics. Les pics de la rms de la vitesse longitudinale dans le BA sont une indication de la forte dispersion, due aux phénomènes de rattrapage de gouttes freinées par les rapides ou d'atomisation secondaire. Le pic de vitesse s'explique par un apport d'énergie de l'air entraîné par les vortex frontaux aux gouttes les plus petites. La décroissance de la vitesse longitudinale sur l'axe dans la PC du spray ressemble à celle des jets gazeux. Cependant, la décroissance de la rms de la vitesse longitudinale est plus rapide que celle des jets gazeux libres. La coalescence est effective dans toutes les parties du spray pour les pressions d'injection faibles très près de l'injecteur. Par contre, pour les pressions de l'injection élevées, la coalescence dans le BA ne se manifeste que loin de l'injecteur. La vitesse longitudinale et la concentration des gouttes ont des profils radiaux homothétiques et le coefficient de Schmidt effective est <1. Cependant, près de l'axe du spray, les vitesses sont parfois trop élevées. La distribution radiale de l'intensité de turbulence est homothétique, mais elle est similaire à celle d'un jet gazeux libre dans la zone r/r0,5<1 et élevée audelà. L'intensité de turbulence dans le BA est plus élevée que dans la PC et le BF; et elle prend des valeurs de l'ordre de 40-60%. Les pdfs de vitesse sont asymétriques (Su>0 ou Su<0) et étroites (Fu>3) ou élargies (Fu<3) dans le BA, mais elles deviennent Gaussiennes dans le reste. Cependant, les pdfs du diamètre des gouttes sont aplatis (Fd>3) et quasi-symétriques (Sd≈0) dans toutes les parties du spray. L'origine virtuelle du spray au début de l'injection est variable et se stabilise après dans l'intervalle 11-15 mm. Dans cette zone, le spray est dense et les mesures par le système PDA sont impossibles. L'angle dynamique du cône du spray est d'environ 32°. L'origine virtuelle et l'angle du cône sont indépendants de la pression d'injection.