Morphology, statistics, and time dynamics of the liquid jet breakup in coaxial two-fluid atomization

Nous nous intéressons à la rupture d'un jet liquide dans le cas de l'atomisation assistée en géométrie coaxiale, une situation commune à de nombreux procédés industriels. Un écoulement diphasique complexe avec une large gamme d’échelles temporelles et spatiales est observé dans le champ proche, impliquant différents mécanismes de rupture définissant différents régimes d'atomisation.À l’aide d’imagerie haute fréquence rétro-éclairée nous nous intéressons au cœur liquide, défini comme la portion de liquide hydrauliquement connecté à l’injecteur, en étudiant les séries temporelles de son extension longitudinale Lb sur une grande gamme de paramètres. Nous démontrons que la fonction de densité de probabilité de Lb peuvent être représentées par une fonction gaussienne asymétrique et que le paramètre d'asymétrie contient une signature des changements de régimes d'atomisation. La dynamique temporelle de Lb est régie par l'écoulement gazeux, avec des temps caractéristiques suivant une loi d'échelle en 1/Reg et une faible influence de la transition à la turbulence du jet liquide.Pour les vitesses de gaz élevées, l'écoulement diphasique sortant de l'injecteur est optiquement dense et ne peux être observé par imagerie visible. Pour augmenter la gamme des vitesses de gaz que nous pouvons étudier, nous utilisons la radiographie haute fréquence à rayons X produits par un synchrotron. Cette technique d'imagerie pénétrante nous permet d'observer différents états de la morphologie du cœur liquide durant sa rupture et d'établir le diagramme de phase associé sur une large gamme de paramètre d’injection. Nous avons observé deux nouvelles morphologies et expliquons les transitions à l’aide d’arguments simples sur l’équilibre des énergies cinétiques de chaque phase. Une méthode de détermination de la quantité de liquide à partir des radiographies est présentée et permet de caractériser quantitativement les morphologies du jet liquide.We are interested in the breakup of the liquid jet in the case of coaxial two-fluid atomization, a canonical breakup situation found in many natural and engineering phenomena. The breakup process is a complex two-phase flow displaying a broad range of time and spatial scales, involving different physical mechanisms that define various atomization regimes.Using high-speed backlit imaging, we study the liquid core, defined as the liquid portion hydraulically connected to the injector, focusing on the time series of its longitudinal extent Lb on a broad parameter space. We demonstrate that the associated statistical distributions can be represented by a skew-Gaussian function and that the skewness contains a signature of changes in atomization regimes. We show that the temporal dynamics of the liquid core length are governed by the gas jet, with time scales scaling with 1/Reg, and presenting a weak influence of the turbulent state in the liquid jet.For high gas velocities, the two-phase flow exiting the injector is optically dense to visible light. To increase the range of gas velocity we can study, we perform time-resolved phase contrast radiography using synchrotron-produced X-rays. With this penetrative imaging technique, we can observe different states of the morphology of the liquid core during its breakup and establish the associated phase diagram. Two new morphologies are highlighted thanks to the broad sampling of the parameter space, and transitions are explained by simple kinetic energy balance arguments. A method is presented to extract liquid quantity from radiographs and quantitatively define the liquid core morphologies

Morphologie, statistique et dynamique temporelle de la rupture d'un jet liquide en atomisation assistée

We are interested in the breakup of the liquid jet in the case of coaxial two-fluid atomization, a canonical breakup situation found in many natural and engineering phenomena. The breakup process is a complex two-phase flow displaying a broad range of time and spatial scales, involving different physical mechanisms that define various atomization regimes.Using high-speed backlit imaging, we study the liquid core, defined as the liquid portion hydraulically connected to the injector, focusing on the time series of its longitudinal extent Lb on a broad parameter space. We demonstrate that the associated statistical distributions can be represented by a skew-Gaussian function and that the skewness contains a signature of changes in atomization regimes. We show that the temporal dynamics of the liquid core length are governed by the gas jet, with time scales scaling with 1/Reg, and presenting a weak influence of the turbulent state in the liquid jet.For high gas velocities, the two-phase flow exiting the injector is optically dense to visible light. To increase the range of gas velocity we can study, we perform time-resolved phase contrast radiography using synchrotron-produced X-rays. With this penetrative imaging technique, we can observe different states of the morphology of the liquid core during its breakup and establish the associated phase diagram. Two new morphologies are highlighted thanks to the broad sampling of the parameter space, and transitions are explained by simple kinetic energy balance arguments. A method is presented to extract liquid quantity from radiographs and quantitatively define the liquid core morphologies.Nous nous intéressons à la rupture d'un jet liquide dans le cas de l'atomisation assistée en géométrie coaxiale, une situation commune à de nombreux procédés industriels. Un écoulement diphasique complexe avec une large gamme d’échelles temporelles et spatiales est observé dans le champ proche, impliquant différents mécanismes de rupture définissant différents régimes d'atomisation.À l’aide d’imagerie haute fréquence rétro-éclairée nous nous intéressons au cœur liquide, défini comme la portion de liquide hydrauliquement connecté à l’injecteur, en étudiant les séries temporelles de son extension longitudinale Lb sur une grande gamme de paramètres. Nous démontrons que la fonction de densité de probabilité de Lb peuvent être représentées par une fonction gaussienne asymétrique et que le paramètre d'asymétrie contient une signature des changements de régimes d'atomisation. La dynamique temporelle de Lb est régie par l'écoulement gazeux, avec des temps caractéristiques suivant une loi d'échelle en 1/Reg et une faible influence de la transition à la turbulence du jet liquide.Pour les vitesses de gaz élevées, l'écoulement diphasique sortant de l'injecteur est optiquement dense et ne peux être observé par imagerie visible. Pour augmenter la gamme des vitesses de gaz que nous pouvons étudier, nous utilisons la radiographie haute fréquence à rayons X produits par un synchrotron. Cette technique d'imagerie pénétrante nous permet d'observer différents états de la morphologie du cœur liquide durant sa rupture et d'établir le diagramme de phase associé sur une large gamme de paramètre d’injection. Nous avons observé deux nouvelles morphologies et expliquons les transitions à l’aide d’arguments simples sur l’équilibre des énergies cinétiques de chaque phase. Une méthode de détermination de la quantité de liquide à partir des radiographies est présentée et permet de caractériser quantitativement les morphologies du jet liquide

Morphologie, statistique et dynamique temporelle de la rupture d'un jet liquide en atomisation assistée

We are interested in the breakup of the liquid jet in the case of coaxial two-fluid atomization, a canonical breakup situation found in many natural and engineering phenomena. The breakup process is a complex two-phase flow displaying a broad range of time and spatial scales, involving different physical mechanisms that define various atomization regimes.Using high-speed backlit imaging, we study the liquid core, defined as the liquid portion hydraulically connected to the injector, focusing on the time series of its longitudinal extent Lb on a broad parameter space. We demonstrate that the associated statistical distributions can be represented by a skew-Gaussian function and that the skewness contains a signature of changes in atomization regimes. We show that the temporal dynamics of the liquid core length are governed by the gas jet, with time scales scaling with 1/Reg, and presenting a weak influence of the turbulent state in the liquid jet.For high gas velocities, the two-phase flow exiting the injector is optically dense to visible light. To increase the range of gas velocity we can study, we perform time-resolved phase contrast radiography using synchrotron-produced X-rays. With this penetrative imaging technique, we can observe different states of the morphology of the liquid core during its breakup and establish the associated phase diagram. Two new morphologies are highlighted thanks to the broad sampling of the parameter space, and transitions are explained by simple kinetic energy balance arguments. A method is presented to extract liquid quantity from radiographs and quantitatively define the liquid core morphologies.Nous nous intéressons à la rupture d'un jet liquide dans le cas de l'atomisation assistée en géométrie coaxiale, une situation commune à de nombreux procédés industriels. Un écoulement diphasique complexe avec une large gamme d’échelles temporelles et spatiales est observé dans le champ proche, impliquant différents mécanismes de rupture définissant différents régimes d'atomisation.À l’aide d’imagerie haute fréquence rétro-éclairée nous nous intéressons au cœur liquide, défini comme la portion de liquide hydrauliquement connecté à l’injecteur, en étudiant les séries temporelles de son extension longitudinale Lb sur une grande gamme de paramètres. Nous démontrons que la fonction de densité de probabilité de Lb peuvent être représentées par une fonction gaussienne asymétrique et que le paramètre d'asymétrie contient une signature des changements de régimes d'atomisation. La dynamique temporelle de Lb est régie par l'écoulement gazeux, avec des temps caractéristiques suivant une loi d'échelle en 1/Reg et une faible influence de la transition à la turbulence du jet liquide.Pour les vitesses de gaz élevées, l'écoulement diphasique sortant de l'injecteur est optiquement dense et ne peux être observé par imagerie visible. Pour augmenter la gamme des vitesses de gaz que nous pouvons étudier, nous utilisons la radiographie haute fréquence à rayons X produits par un synchrotron. Cette technique d'imagerie pénétrante nous permet d'observer différents états de la morphologie du cœur liquide durant sa rupture et d'établir le diagramme de phase associé sur une large gamme de paramètre d’injection. Nous avons observé deux nouvelles morphologies et expliquons les transitions à l’aide d’arguments simples sur l’équilibre des énergies cinétiques de chaque phase. Une méthode de détermination de la quantité de liquide à partir des radiographies est présentée et permet de caractériser quantitativement les morphologies du jet liquide

Statistics and dynamics of a liquid jet under fragmentation by a gas jet

International audienceThe breakup of a liquid jet by a surrounding gas jet is studied in a coaxial configuration using high-speed back-lit imaging. This work focuses on the time dynamics and the statistics of the length of the liquid jet. The inlet velocities are varied for both fluids to obtain a wide range of gas and liquid Reynolds numbers and equivalently a wide range of gas-to-liquid dynamic pressure ratio M and Weber number. The variety of scales exhibited throughout this range, exploring two breakup regimes, is covered by adapting the spatial and temporal resolutions as well as the field of view of the imaging system. An in-depth study of the distributions of the length of the liquid jet is presented, with the associated scalings for the evolution of the first three statistical moments with the relevant dimensionless parameters, fully describing the statistics through a unique function. The first two moments of the distributions are shown to be power laws of M and their ratio is observed to be constant. The temporal dynamics are studied using autocorrelation functions of the length of the liquid jet. The correlation times are shown to be controlled by the gas jet, with a secondary influence of the liquid Reynolds number through a change of behavior that appears to be related to the onset of liquid turbulence. In addition, a transition between two regimes highlighted by a change of shape of both the probability density and autocorrelation functions of the liquid core length is introduced and its link to the turbulence characteristics of the gas jet and the underlying breakup mechanisms is discussed

Suspension of large inertial particles in a turbulent swirling flow

International audienceWe present experimental observations of the spatial distribution of large inertial particles suspended in a turbulent swirling flow at high Reynolds number. The plastic particles, which are tracked using several high speed cameras, are heavier than the working fluid so that their dynamics results from a competition between gravitational effects and turbulent agitation. We observe two different regimes of suspension. At low rotation rate, particles are strongly confined close to the bottom and are not able to reach the upper region of the tank whatever their size or density. At high rotation rate, particles are loosely confined: small particles become nearly homogeneously distributed while very large objects are preferentially found near the top as if gravity was reversed. We discuss these observations in light of a minimal model of random walk accounting for particle inertia and show that large particles have a stronger probability to remain in the upper part of the flow because they are too large to reach descending flow regions. As a consequence particles exhibit random horizontal motions near the top until they reach the central region where the mean flow vanishes, or until a turbulent fluctuation gets them down