Deformation and breakup of droplets in turbulence

Le processus d'atomisation est influencé par la déformation et la rupture des gouttes, qui à leur tour affectent la distribution finale de la taille des gouttes. La turbulence est un phénomène prépondérant lors de l'atomisation secondaire.Plusieurs auteurs ont établi un lien entre la rupture des gouttes liée à la turbulence et les oscillations libres de celles-ci en montrant que, même pour de faibles niveaux de turbulence, les gouttes se brisent en raison d'un mécanisme de résonance. Ce phénomène est à la base de la présente étude.Comme point de départ de ce travail, les oscillations linéaires théoriques des gouttes sont examinées d'un point de vue théorique et numérique.Le mouvement oscillatoire de premier ordre d'une gouttelette initialement déformée, compte tenu des effets dynamiques du fluide environnant, est décrit.Ensuite, les oscillations et la rupture d'une gouttelette liquide sphérique unique, initialement non perturbée, soumise à un milieu turbulent homogène et isotrope, sont étudiées.Un cadre théorique pour les oscillations des gouttes est développé à l'aide d'une décomposition en harmoniques sphériques qui suit la déformation de la surface depuis son état initial jusqu'à juste avant sa rupture.Cette approche relie l'amplitude de la déformation de la goutte d'eau par petites perturbations aux paramètres et aux propriétés du milieu turbulent, ce qui nous permet d'observer comment la turbulence excite les différents modes, conduisant finalement à la rupture.Nous relions ce phénomène à la théorie de la stabilité linéaire et analysons comment la durée de vie des gouttes est associée aux statistiques de turbulence pour l'ensemble des valeurs caractéristiques.Pendant la déformation des gouttes, des perturbations d'origines diverses favorisent la croissance de structures liquides de tailles et de formes variées.En particulier, les régions présentant de la contraction (goulots d'étranglement) et d'accumulation (dilatation) peuvent indiquer l'avènement d'une rupture.Pour prédire avec précision les événements de rupture, il est essentiel de prendre en compte la nature multi-échelle de ces systèmes.L'évolution temporelle de la distribution des échelles est utilisée pour identifier toutes les dynamiques impliquées dans le processus de déformation à chaque échelle tout au long de la durée de vie de la goutteletteLe problème est abordé par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes à deux phases à l'aide du code interne ARCHER.En combinant ces trois analyses, la durée de vie de la gouttelette est étudiée en deux parties : Premièrement, le mouvement oscillatoire et la fréquence des différents modes présents dans la déformation à travers le cadre harmonique sphérique afin de mettre en lumière le mécanisme de résonance. Deuxièmement, l'évolution temporelle de la distribution d'échelle par une analyse multi-échelle à la fin de la durée de vie de la goutte.