Il existe de nombreux processus, comme la propulsion, dans lequel fluide à l'état supercritique, où la température et la pression mettent une substance au-delà d'une phase liquide ou gazeuse distincte, est injecté dans un environnement de conditions thermodynamiques supercritiques. Dans ces conditions, les dynamiques de mélange et d'interaction ne se comportent pas comme elles le feraient dans leurs phases liquides ou gazeuses bien définies.
moteurs de fusée, les turbines à gaz et les moteurs diesel subissent des conditions dans leur chambre de combustion qui dépassent les conditions critiques de leur carburant, et des sprays supercritiques finement atomisés sont utilisés pour enrober les comprimés dans la production de médicaments. Dans les deux cas, comprendre la dynamique précise de la façon dont le fluide se décompose et se disperse peut conduire à des améliorations fondamentales dans la façon dont ces systèmes sont construits.
L'étude de la désintégration des jets porte en particulier sur la fragmentation et le mélange du carburant au sein de la chambre de combustion des dispositifs de propulsion. Une équipe de chercheurs de l'Université de Floride a appliqué des techniques de diagnostic spectroscopique pour en savoir plus sur les principes fondamentaux de la désintégration des jets sous- et supercritiques, et rapporte leurs nouvelles découvertes cette semaine dans le journal Physique des fluides .
"La technique de fluorescence induite par laser plan (PLIF) et le processus de correction des effets d'absorption est un outil unique au Laboratoire de combustion et de propulsion, " a déclaré Shaun DeSouza, chercheur à l'Université de Floride et auteur principal de la publication. "Cette méthode fournit des données quantitatives pour la comparaison avec les données qualitatives produites par la technique du shadowgraph." Alors que des études d'imagerie des jets ont été réalisées par de nombreux instituts de recherche différents, les données quantitatives sur la densité rapportées dans ces études sont limitées.
Pour obtenir ces données quantitatives, DeSouza et son collaborateur ont effectué 48 tests de jets injectés à partir d'un seul orifice dans une chambre avec l'une des combinaisons de température et de pression sous-critiques à supercritiques. Ils ont utilisé un fluide appelé fluorocétone dans ces tests en raison de sa faible température et pression critiques, caractéristiques régissant le comportement supercritique d'intérêt, ainsi que ses caractéristiques spectrales distinctes bien adaptées à la détection PLIF.
L'étude actuelle des jets à orifice unique injectés dans une chambre à des températures et des pressions inférieures à supercritiques s'est concentrée sur l'effet du rapport de densité chambre/injecteur sur la désintégration du jet avec 48 tests effectués sur une large gamme de rapports de densité. Pour ces tests, les chercheurs ont utilisé la fluorocétone comme fluide de travail car elle a une température et une pression critiques relativement basses et une forte absorption dans le proche ultraviolet, ce qui en fait un bon choix pour la visualisation en ombres portées et PLIF.
Les résultats de l'étude ont démontré l'exactitude du PLIF, imager des plans uniques du champ d'écoulement à travers le centre du jet, conduisant à des différences notables dans l'angle d'étalement mesuré par rapport à l'ombroscopie. Contrairement à l'ombre, qui image de manière intégrative l'ensemble du jet, PLIF fournit des informations de densité plus détaillées qui éclairent les caractéristiques que l'ombrage ne peut pas détecter.
Chaque technique d'imagerie offre des avantages complémentaires, avec PLIF fournissant des résultats quantitatifs de densité et d'ombrage fournissant une visualisation très détaillée du flux. Alors que les données du shadowgraph concordaient avec les études de visualisation précédentes, les résultats du PLIF qui ont fourni une mesure quantitative de la densité du plan de jet central et des gradients de densité ont offert des résultats nouveaux et différents.
Les résultats ont également révélé des tendances clés pour comprendre et améliorer des applications telles que la propulsion par réaction, comme une augmentation du diamètre de goutte normalisé et une diminution de la population de gouttelettes à mesure que les températures de la chambre augmentaient. D'après les travaux, cependant, la taille et la distribution des gouttelettes étaient indépendantes de la pression de la chambre.
"La prochaine étape de cette ligne de recherche est d'étendre les conditions thermodynamiques explorées et d'améliorer le matériel d'imagerie pour mieux comprendre dans une plus grande variété de conditions, " a déclaré DeSouza.
