Soutenance de thèse de Romain VALLON

La fragmentation des jets liquides est au cœur de nombreux processus naturels - création d'embrun, éternuement, éruption volcanique - ou industriels - irrigation agricole, impression à jet ou injection dans les moteurs thermiques. Cette thèse caractérise à l'aide de données expérimentales et de simulations numériques la population de gouttes créée par la fragmentation d'un jet dans des configurations proches de celles de l'agriculture. Du côté expérimental, les données proviennent de mesures vélocimétriques par suivi de gouttes (DTV) réalisées sur un jet d'eau turbulent injecté dans de l'air au repos. Du côté numérique, une série de Simulations Numériques Directes (DNS) a été réalisée pour différents Weber du gaz, c-à-d pour différentes vitesses d'injection avec une configuration géométrique et physique fixées. L'étude statistique des gouttes dans le cas de l'expérience et des simulations montre des résultats qui se corroborent. Une attention particulière est apportée aux statistiques jointes en taille et en vitesse des gouttes. Notamment, les statistiques jointes mettent en évidence l'existence de 5 sous groupes bien définis dans le jeu de données expérimentales et l'existence de 2 sources de fragmentation dans le jeu numérique. L'étude met en lumière le lien possible entre les différents sous groupes et les sources de fragmentation qui peuvent être identifiées dans l'écoulement. Enfin, deux modèles théoriques de nature très éloignée sont testés pour décrire la distribution en taille des gouttes. Le premier découle de la mécanique fine prenant place au niveau des ligaments et le second de l'intermittence interne de la turbulence. Tous deux se montrent pertinents à différents niveaux. Le modèle s'appuyant sur la mécanique des ligaments décrit au mieux la distribution en taille en champs proche et la distribution en taille de chaque sous groupe en champs lointain. La distribution en taille du jet en champs lointain est bien décrite par le modèle s'appuyant sur l'intermittence de la turbulence, modèle qui offre aussi une bonne description qualitative de la distribution en taille de la population en champs proche. Ceci montre que la validité de chaque modèle ne dépend pas seulement de la distance par rapport à la buse mais aussi du nombre de sources de fragmentation. En outre, il ressort qu'utiliser le concept d'intermittence de la turbulence pour modéliser le processus de fragmentation pourrait améliorer la description de l'atomisation des jets turbulents.

The fragmentation of liquid jets takes place in numerous processes which can be either natural, like ocean sprays, sneezing or volcanic eruption, or industrial, like farming irrigation, ink printing or thermal engine injection. This thesis characterises the droplet population created by the fragmentation of a jet thanks to experimental data and numerical simulations in configurations close to those of agriculture. Experimentally, the data set comes from Droplet Tracking Velocimetry (DTV) measurements carried out prior to this thesis on a turbulent water jet injected into quiescent air. Numerically, a campaign of Direct Numerical Simulations (DNS) is carried out for different gaseous Weber numbers, i.e. different injection velocities in the same geometrical and physical configuration. The statistical study of the droplets for the experimental and numerical data shows results which are rather similar. It pays a specific attention to the joint statistics of the droplet size and velocity. Notably, the joint statistics enable to point out the existence of 5 well defined sub groups of droplets in the experimental data set and the existence of 2 sources of fragmentation in the numerical one. The study highlights the possible link between the subgroups and the different sources of fragmentation identified in the flow. Finally, two theoretical models of divergent nature are tested out to describe the droplet size distribution. The first one was derived from the analysis of the fine mechanics occurring at the scale of ligament-shaped droplets while the second one was derived from the framework of the internal intermittency of turbulence. Both of them propose an accurate description at different levels. The ligament-based model best describes the droplet size distribution in the close field and the distribution of the subgroups in the far field. The overall distribution in the far field is well described by the intermittency-based model, which also describes qualitatively well the size distribution in the close field. Thus, the validity of each model does not only depend on the distance from the nozzle but also on the number of fragmentation sources. Besides, it appears that the concept of turbulence intermittency for modelling the fragmentation process could improve the description of the atomisation of turbulent jets.