Influence de tensioactifs en atomisation assistée - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Effects of surfactant on air-assisted atomization of liquid jets

Influence de tensioactifs en atomisation assistée

Résumé

The mechanisms involved in assisted atomization have been the subject of detailed analyses. Yet, the role of surfactants on these processes has rarely been addressed, so that the impact of surfactants on the evolution of the liquid jet and on the production of drops remains poorly understood. In order to better understand their role, the atomization of a liquid jet (water and surfactant) driven by a coaxial gas stream (air) is experimentally studied, over wide ranges of liquid and gas injection velocities. Three surfactants (SDS, C12TAB, C16TAB) with various properties have been selected: used at different concentrations, they allow to explore a very wide range of characteristic migration times to the interface, evolving from 10-3 to 1 second. Attempts to characterize their rheological properties are also proposed.The injector used consists of a liquid tube of 5 mm diameter, and a coaxial gas tube with a 5 mm section. A decontamination procedure of the liquid circuit after surfactant injection has been implemented, ensuring the reproducibility of the measurements.We first characterized by image analysis the structure of the liquid jet before its breakup, as well as the frequencies of the instabilities leading to the droplet formation.Both SDS and C12TAB candidates significantly increase the breakup length of the liquid jet. These molecules exhibit adsorption dynamics faster than the characteristic times of liquid structure formation, allowing to significantly lowering the surface tension at the tip of the liquid jet prior to its breakup. Conversely, the surfactant with slow adsorption dynamics (C16TAB) does not change the structure of the liquid jet. A model for the breakup length, based on the dynamic surface tension, shows good agreement with the measurements.C12TAB induces additional effects: the reduction of the oscillation amplitude of the jet (up to 40%), and of its breakup frequency (up to 50%). Finally, addition of SDS and C12TAB leads to changes in the mode of liquid jet breakup at low gas injection velocities: from a dominant fiber/ligament type jet breakup, a majority of breakups with membrane formation is observed due to the reduction of the surface tension.Finally, the frequencies of shear and flapping instabilities of the liquid jet are not affected by surfactants, as these mechanisms do not depend on the surface tension.The characteristics of the droplets resulting from liquid jet assisted atomization were studied using three techniques: laser diffraction particle size analysis, fast imaging and Doppler optical probe. The Doppler optical probe is a new sensor: its use on sprays required developments and optimizations of the signal processing routines. This sensor have then been tested by comparing the integral of radial liquid flow profiles to the injected flow rate: the observed deviations are less than 20, demonstrating the reliability of the instrument.Finally, the spray was characterized in the presence of surfactants. Laser diffraction, which allows to measure a distribution of droplet sizes on a spray diameter. The latter remains constant beyond twice the average breakup length of the liquid jet, with or without surfactant. Then the volume size distributions show that surfactants having an impact on the structure of the liquid jet also induce a higher presence of small drops than with pure water. Finally, the optical Doppler probe is used to measure sizes, velocities and fluxes of drops at the center of the spray.We thereby demonstrate that the parameter governing the influence of a surfactant on the atomization process is the adsorption time, which depends on the nature of the surfactant and its concentration. If this time is low compared to the typical break-up times of the liquid jet, its structure is affected, as well as the downstream spray resulting from its atomisation.
Si les mécanismes intervenant en d’atomisation assistée ont fait l’objet d’analyses détaillées, le rôle de surfactants sur ces processus n’a été que rarement abordé, de sorte que l’impact de tensioactifs sur l’évolution du jet liquide et sur la production de gouttes reste très mal compris. Dans le but de mieux appréhender leur rôle, l’atomisation d’un jet liquide (eau) dopé et entraîné par un courant gaz (air) coaxial est étudiée expérimentalement, sur de larges plages de vitesses d’injection liquide et gaz. Trois tensioactifs (SDS, C12TAB, C16TAB) aux propriétés variées ont été sélectionnés : utilisés à différentes concentrations, ils permettent d’explorer des temps caractéristiques de repeuplement de l’interface évoluant sur une très large plage, allant de 10-3 à 1 seconde. Des tentatives pour caractériser leurs propriétés rhéologiques sont également proposées.L’injecteur utilisé est constitué d’un tube liquide et d’un tube gaz coaxial, tous deux d’une section de 5 mm. Un protocole de dépollution du circuit liquide après injection de tensioactifs a été mis en place, assurant la reproductibilité des mesures.Dans un premier temps, nous avons caractérisé par analyse d’image la structure du jet liquide avant sa rupture, ainsi que les fréquences des instabilités intervenant dans la formation des gouttes. Tout d’abord, les candidats SDS et C12TAB augmentent significativement la distance de brisure du jet liquide. Ces molécules présentent des dynamiques d’adsorption plus rapides que les temps caractéristiques de formation des structures liquides, ce qui permet un abaissement significatif de la tension de surface à l’extrémité du jet avant sa brisure. Dans le cas contraire, le tensioactif à dynamique d’adsorption lente (C16TAB) ne modifie pas la structure du jet liquide. Un modèle pour la longueur de brisure, basé sur la tension de surface dynamique, montre un bon accord avec les mesures. Le C12TAB induit des effets supplémentaires : la réduction de l’amplitude d’oscillation du jet (jusqu’à 40%), et de sa fréquence de brisure (jusqu’à 50%).Enfin, le dopage avec SDS et C12TAB conduit à des changements du mode de brisure du jet liquide aux faibles vitesses d’injection gaz: d’une rupture de type fibre/ligament, une majorité de brisures avec formation de membranes est observée due à la réduction de la tension de surface.Les fréquences des instabilités de cisaillement et de battement du jet liquide ne sont affectées par aucun tensioactif car ces mécanismes ne dépendent pas de la tension de surface. Les caractéristiques des gouttes résultant de l’atomisation du jet liquide ont été étudiées à l’aide de trois techniques : la granulométrie par diffraction laser, l’imagerie et la sonde optique Doppler. La sonde optique Doppler est une technique nouvelle, et a donc nécessité des développements et des optimisations des procédures de traitement du signal. Puis ce capteur a été testé en comparant l’intégrale de profils de flux liquide au débit injecté : les écarts observés sont inférieurs à 20%, démontrant la fiabilité de l’instrument.Enfin, le spray a été caractérisé en présence de tensioactifs. La diffraction laser, – qui mesure une distribution de tailles volumiques de gouttes sur un diamètre de spray -, est utilisée pour quantifier l’évolution de la taille des gouttes avec la distance axiale à l’injecteur, pour différentes vitesses gaz. Puis les distributions de tailles volumiques montrent que les tensioactifs ayant un impact sur la structure du jet induisent également une plus forte présence de gouttes de faibles tailles qu'en eau pure. Finalement, tailles, vitesses et flux de gouttes sont mesurés par sonde optique.Nous montrons ainsi que le paramètre gouvernant l’influence d’un tensioactif sur l’atomisation est le temps d’adsorption, qui dépend de la nature du tensioactif et de sa concentration. Si ce temps est faible devant les temps de rupture du jet liquide, sa structure est impactée, ainsi que le spray résultant de son atomisation.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03775141 , version 1 (12-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03775141 , version 1

Citer

Mathieu Alonzo. Influence de tensioactifs en atomisation assistée. Physique [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALI043⟩. ⟨tel-03775141⟩
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