Brevet FR2602698A1 — publié le 19880219

Générateur d'aérosol et installation pour l'étude de l'ecou- lement d1un courant de qaz L'invention concerne un générateur d'aérosol, destiné notamment à l'ensemencement d'un courant de gaz en vue de l'étude de l'écoulement de celui-ci par vélocimétrie laser, ainsi qu'une installation pour cette étude. On utilise couramment des générateurs d'aérosol pour ensemencer des milieux gazeux, c'est-à-dire pour y disperser des particules susceptibles de servir de cibles à un rayon laser dirigé sur une région de l'espace où circule ce milieu gazeux. L'analyse de la lumière diffusée par les particules permet de calculer au moins une composante de la vitesse du courant de gaz. Un tel processus est utilisé notamment en aéronautique pour différentes sortes d'études aérodynamiques. On connait des générateurs d'aérosol comprenant un canal capillaire communiquant avec un réservoir de liquide et débouchant dans un espace de vaporisation, et des moyens pour produire un courant de gaz propulseur dans l'espace de vaporisation de façon à vaporiser le liquide dans le courant de gaz à partir du canal capillaire. Ce dernier permet d'obtenir des particules de liquide bien dispersées dans le milieu gazeux, les dimensions de ces particules étant très petites (1 micron environ ou moins) et relativement uniformes. Dans ces dispositifs connus, le canal capillaire est obtenu par perçage ou par étirage d'un tube, et on le nettoie après utilisation en y faisant passer un fil métallique. Ces techniques de fabrication et de nettoyage, compte tenu du très faible diamètre du canal (quelques dixièmes de millimètre) limitent la longueur de celui-ci à deux ou trois centimètres environ. Ceci nécessite de maintenir le niveau de liquide dans le réservoir pratiquement constant pendant le fonctionnement du générateur d'aérosol. De plus, le nettoyage par fil est d'une efficacité imparfaite, ce qui peut conduire à un encrassement et à des défaillances du dispositif. Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités, et de permettre l'élaboration de canaux capillaires de longueur arbitraire pouvant être nettoyés facilement et parfaitement. Un autre but est de permettre l'obtention de ces canaux capillaires par des moyens simples, ne faisant pas appel à des opérations de façonnage délicates. Selon l'invention, dans un générateur d'aérosol du type décrit en introduction, la paroi du canal capillaire est définie par au moins deux pièces séparables l'une de l'autre, les lignes de joint entre les deux pièces dans la paroi s'étendant selon la longueur du canal. Le canal capillaire est ainsi réalisé par l'assemblage des pièces séparables, les faces de celles-ci qui forment la paroi du canal ayant le cas échéant subi à cet effet des opérations d'usinage simples. Les pièces sont de nouveau séparées pour permettre un accès facile à la paroi du canal capillaire en vue de son nettoyage. En particulier, les deux pièces séparables peuvent présenter des faces respectives portant l'une sur l'autre, le canal capillaire étant défini par une cannelure ménagée dans l'une desdites faces, tandis que l'autre face est lisse. Les faces en question sont par exemple planes ou cylindriques de révolution, les deux pièces séparables constituant dans ce dernier cas, respectivement, un noyau et un fourreau ajusté sur le noyau. Selon une caractéristique de l'invention, l'espace de vaporisation comprend une cavité ménagée dans l'une au moins des pièces séparables. Quant aux moyens pour produire un courant de gaz propulseur, ils peuvent comprendre un conduit ménagé dans l'une au moins de ces mêmes pièces, relié à une source de pression et débouchant dans l'espace de vaporisation. Selon un mode de réalisation de l'invention, le générateur d'aérosol comprend un boitier enfermant au moins en partie les deux pièces séparables, définissant le réservoir de liquide et contenant l'espace de vaporisation, et présentant un orifice de sortie pour l'aérosol, le canal capillaire débouchant par une face extrême des deux pièces pour établir la communication avec le réservoir. Selon un autre mode de réalisation, le réservoir de liquide est constitué par une chambre ménagée dans l'une au moins des deux pièces séparables, celles-ci pouvant former une canne propre à être immergée directement dans un milieu à ensemencer. L'invention a également pour objet une installation pour l'étude de l'écoulement d'un courant de gaz dans un volume, du type comprenant un générateur d'aérosol propre à disperser des particules dans le courant de gaz et un vélocimètre laser propre à émettre un rayon laser en direction des particules dispersées et à analyser les rayons envoyés par celles-ci de façon à calculer au moins une composante de la vitesse du courant de gaz. Selon l'invention, le générateur d'aérosol d'une telle installation est tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après de quelques exemples de réalisation, et des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'une première forme de réalisation d'un générateur d'aérosol selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale du noyau et du fourreau définissant le canal capillaire du générateur d'aérosol de la figure 1; - la figure 2a est une coupe partielle selon la ligne 22 de la figure 2, à échelle agrandie; - la figure 3 est une représentation schématique d'une seconde forme de réalisation du générateur d'aérosol:: - la figure 4 est une vue partielle en coupe longitudinale du générateur de la figure 3; - les figures 5, 6 et 7 sont des coupes transversales selon les lignes 5-5, 6-6 et 7-7 de la figure 4; - la figure 8 est une vue analogue à la figure 7, relative à une variante; - la figure 9 est une vue partielle en coupe, selon la ligne 9-9 de la figure 10, d'une troisième forme de réalisation d'un générateur d'aérosol; - la figure 10 est une vue en coupe selon la ligne 10-10 de la figure 9r - les figures 11 à 14 sont des histogrammes représentant la répartition granulométrique des particules dans des aérosols obtenus au moyen du générateur des figures 4 à 7:: - la figure 15 est une représentation schématique d'une installation pour l'étude de l'écoulement d'un courant de gaz utilisant un générateur d'aérosol selon les figures 1 et 2; - la figure 16 montre, sous forme de courbes, des résultats d'essais comparatifs. Le générateur d'aérosol illustré schématiquement à la figure 1 comprend un boitier constituant un réservoir pour un liquide 2 à vaporiser et contenant un bloc de vaporisation 3 partiellement immergé dans le liquide 2. La paroi supérieure 4 du boîtier 1, qui peut être un couvercle amovible, est traversée par une canalisation d'arrivée d'air 5 communiquant avec un trou 6 prévu dans la partie supérieure du bloc 3. Un orifice 7 de sortie d'aérosol est prévu dans la paroi 4. Une cavité 8 ménagée dans le bloc 3 communique avec l'espace libre 9 situé au-dessus du liquide 2 à l'intérieur du boîtier. Dans le bloc 3 sont également formés un canal capillaire 10 s'étendant verticalement entre la cavite 8 et la face extrême inférieure 11, immergée dans le liquide 2, du bloc de vaporisation, et un orifice d'injection d'air 12 reliant la cavité 8 au trou 6. Lorsque la canalisation d'arrivée d'air 5 est reliée à une source d'air sous pression non représentée, un courant d'air circule vers l'espace 9 en passant par le trou 6, l'orifice 12 et la cavité 8, entrainant au passage des gouttelettes du liquide 2 parcourant par aspiration et capillarité le canal 10, qui sont vaporisées dans la cavité 8. Selon l'invention, comme montré aux figures 2 et 2a, le bloc de vaporisation 3 comprend deux pièces séparables 13 et 14, la pièce 13 étant un noyau et la pièce 14 un fourreau ajusté sur le noyau. Ces deux pièces portent l'une sur l'autre par des surfaces cylindriques de révolution 15 et 16 respectivement convexe et concave. Pour la réalisation du canal capillaire 10, une cannelure longitudinale 17 est ménagée dans le noyau 13 à partir de sa face 15. Lors de l'assemblage des deux pièces, la paroi de la cannelure 17 et la portion en regard 18, restée lisse, de la face 16 du fourreau 14, forment ensemble la paroi du canal 10. Les portions de parois 17 et 18 sont séparées l'une de l'autre par des lignes de joint 19 et 20 entre les deux pièces, lesquelles lignes de joint s'étendent longitudinalement d'une extrémité à l'autre du canal 10. Pour réaliser le canal capillaire 10, il suffit d'usiner la cannelure 17 avant l'assemblage des pièces 13 et 14. Cet usinage peut être effectué sur une longueur quelconque sans difficultés particulières. Après utilisation du dispositif, il suffit de séparer les pièces 13 et 14 pour obtenir un accès facile aux parois 17 et 18, permettant un nettoyage efficace. Le générateur d'aérosol peut fonctionner sans interruption avec un niveau de liquide dans le réservoir variant entre la hauteur de la cavité 8 et celle de l'extrémité inférieure 11 du bloc de pulvérisation 3, cet écart de niveau correspondant à la longueur du canal 10. L'allongement de ce canal autorisé par l'invention permet donc, toutes choses égales par ailleurs, de prolonger la durée de fonctionnement obtenue sans adjonction de liquide. La section transversale de la cannelure 17, qui présente une forme rectangulaire à la figure 2a, peut avoir une autre forme, par exemple triangulaire ou semi-circulaire. Par ailleurs, le canal capillaire pourrait être également formé par une cannelure ménagée dans le fourreau et faisant face à une surface lisse du noyau, ou par des cannelures ménagées dans les deux pièces. Enfin, plusieurs canaux capillaires peuvent être prévus selon différentes génératrices de la surface de contact du noyau et du fourreau, et associés à des cavités de pulvérisation correspondante. On voit à la figure 2 une buse 21 montée à la sortie de la cavité 8 vers l'espace 9. Cette buse permet de diriger le jet d'aérosol. Elle n'est pas indispensable dans la réalisation selon la figure 1. Dans le générateur d'aérosol de la figure 3, un noyau 31 et un fourreau 32 forment une canne allongée 30 qui n'est pas entourée par un bolier et qui est destinée à être immergée directement dans un milieu gazeux à ensemencer. La canne 30 est reliée par une canalisation 33 à un réservoir de liquide principal fermé 34 et par une canalisation 35 à une source d'air comprimé non représentée. Une autre canalisation 36 débouche par une de ses extrémités dans l'espace 37 surmontant le niveau du liquide 38 dans le réservoir 34 et par son extrémité opposée dans le volume 39 environnant la canne. i Une rainure longitudinale 40 ménagée à la périphérie du noyau 31 communique par la canalisation 33 avec le liquide 38 contenu dans le réservoir 34 placé au-dessus de la rainure 40. Celle-ci est donc maintenue remplie de liquide par gravité. Elle constitue un réservoir intermédiaire qui est relié par des canaux fins qui seront décrits plus loin avec des cavités de vaporisation 41 semblables à la cavité 8 du générateur d'aérosol des figures 1 et 2. Les cavités 41 sont également reliées par des orifices d'injection d'air 42 à la canalisation 35. Les figures 4 à 7 montrent de façon plus détaillée la structure de- la canne 30 et ses relations avec les canalisations 33, 35. Ces deux dernières se raccordent à l'intérieur du noyau 31 à des trous cylindriques longitudinaux respectivement 43 et 44 dont les axes sont situés dans un plan 45 pas sant par l'axe de révolution de la surface de contact cylindrique 46 du noyau et du fourreau. Le plan 45 traverse également de façon médiane le réservoir intermédiaire 40, les cavités 41 et les orifices 42, et constitue ainsi un plan de symétrie pour cette partie du dispositif. La canalisation 36, située en arrière du plan de la figure, est dans une large mesure cachée par les canalisations 33 et 35. Chacune des cavités 41, au nombre de trois dans l'exemple décrit, est reliée au réservoir intermédiaire 40 par deux canaux capillaires 47 disposés circonférentiellement le long de la surface 46, de part et d'autre du plan 45. Ces canaux 47 sont définis par des cannelures usinées à la périphérie du noyau 31 et par la face interne lisse du fourreau 32. On retrouve ainsi la même facilité de réalisation et de nettoyage des canaux capillaires que dans le premier exemple. Une pièce d'extrémité 48 soudée à la partie inférieure du fourreau 32 permet de solidariser ce dernier au noyau 31 au moyen d'une vis 49 s'engageant dans un trou fileté du noyau. Le calage angulaire du noyau et du fourreau assurant l'alignement des cavités 41 est obtenu au moyen d'un outil non représenté s'engageant dans une cavité supplémentaire 50 qui, comme les cavités 41, traverse le bourreau 32 et se prolonge dans le noyau 31. Sur l'extrémité supérieure 51 du noyau, qui fait saillie au-delà du fourreau, est enfilé et soudé un élément tubulaire 52 dont l'extrémité supérieure est à son tour fermée par une pièce d'obturation soudée 53.La pièce 53 est traversée par les canalisations 33 et 35, qui se prolongent jusque dans le fourreau 31 pour communiquer respectivement avec les trous 43 et 44, et par la canalisation 36 qui débouche dans l'espace libre 54 compris entre l'extrémité supérieure-du noyau 31 et la pièce 53. L'espace 54 communique avec le volume extérieur 39 par un orifice 55 ménagé dans le tube 52. Grâce à la communication ainsi établie entre le volume 39 et l'espace gazeux 37 du réservoir 34, par l'intermédiaire de l'orifice 55, de l'espace 54 et de la canalisation 35, le liquide contenu dans les réservoirs 34 et 40 se trouve sensiblement sous la pression régnant dans le volume 39, ce qui permet une vaporisation régulière. Les cavités de vaporisation 41 étant à la même hauteur que le réservoir de liquide 40, les canaux capillaires 47 ne servent pas ici, comme dans le générateur d'aérosol de la figure 1, à l'ascension capillaire du liquide, mais seulement à la formation de particules d'aérosol très fines. La canne représentée à la figure 8 comprend un noyau 31 identique à celui des figures 4? 6 et 7. Seul le fourreau 32 de section circulaire est remplacé par un fourreau 32' profilé, dont la dimension radiale augmente -du côté de la cavité de vaporisation 41, c'est-à-dire vers l'aval dans le sens de la circulation du courant de gaz autour de la canne, ceci afin d'améliorer l'aérodynamisme de cette dernière. Les figures 9 et 10 sont relatives à une variante de générateur d'aérosol dans laquelle le noyau et le fourreau des exemples précédents sont remplacées~ respectivement par deux pièces 61 et 62 en contact mutuel par des faces planes 63 et 64 respectivement. La pièce 62 a la forme d'une plaque traversée par les cavités de vaporisation 65 qui se prolongent par des évidements ménagés dans la face 63 de la pièce 61. Un réservoir de liquide 66 est également ménagé dans la pièce 61 à partir de la face 63, ainsi que des cannelures 67 définissant des canaux capillaires qui relient le réservoir 66 aux cavités 65. Un alésage d'injection d'air 68 prévu dans la pièce 61 communique avec les cavités 65 par des orifices 69. Ce générateur d'aérosol est destiné à vaporiser l'aérosol directement dans un volume à étudier 70 dont la paroi est constituée au moins partiellement par la pièce 62 et dans lequel débouchent par conséquent les cavités de vaporisation 65. Bien que dans les exemples décrits.ci-dessus le canal capillaire soit formé par une cannelure ménagée dans une face d'une première pièce et par la face lisse d'une seconde pièce, il est également possible de réaliser un canal capillaire au moyen de cannelures ménagées en vis-à-vis dans les deux pièces, ou de former ce canal capillaire entre trois pièces séparables ou plus. Les figures 11 à 14 représentent des histogrammes de dimensions des particules d'aérosol obtenues au moyen du générateur d'aérosol selon les figures 3 à 7. Ces histogrammes ont été établis au moyen d'un appareil d'analyse dynamique de particules de type PDA construit par la société DANTEC. La figure 11 correspond à un aérosol obtenu directement à partir d'une solution composée de 20% en poids de paraffine et de 80% en poids de trichloréthane. La gamme de diamètres de particules est peu étendue, la plupart des particules ayant un diamètre inférieur à 1 micron. La figure 12 correspond au même aérosol après passage dans un évaporateur constitué par un four à micro-ondes. On constate que le diamètre des particules est encore diminué. Les figures 13 et 14 sont relatives à des aérosols obtenus en utilisant comme liquide de vaporisation des suspensions de particules de latex dans l'éthanol, l'aérosol étant également passé dans l'évaporateur. Les particules de latex ont un diamètre de 0,8 micron dans le cas de la figure 13 et de 0,31 micron dans le cas de la figure 14. On retrouve dans les aérosols obtenus les dimensions de particules du latex d'origine. Ces résultats montrent qu'on peut utiliser avec le générateur d'aérosol selon l'invention aussi bien des suspensions de latex que des solutions comme liquides de vaporisation. La figure 15 représente une installation pour l'étude de l'écoulement d'un courant de gaz dans un volume parallélépipédique 100 compris entre deux plaques parallèles 101 et 102. ces dernières sont en bronze et présentent des cellules ouvertes dont le- diamètre moyen est voisin de 50 microns. Le courant de gaz à étudier pénètre dans le volume 100 à travers les plaques poreuses 101 et 102, et en ressort par une face ouverte 103 du parallélépipède; Les trois faces restantes sont fermées par une paroi 104 opposée à la face 103 et par deux parois parallèles au plan de la figure, respectivement en avant et en arrière de celleci.L'une au moins de ces deux dernières parois est au moins partiellement transparente de façon à laisser passer le rayon laser émis par- un vélocimètre laser non représenté ves le volume 100 et les rayons renvoyés vers le vélocimètre par les particules d'aérosol contenues dans le courant de gaz. L'aérosol est obtenu au moyen d'un générateur d'aérosol 105 semblable à celui de la figure 1 mais dont le bloc de vaporisation 106 présente trois canaux capillaires et trois cavités de vaporisation disposés à 120 autour de l'axe de révolution de la surface d'assemblage du noyau et du fourreau qui composent le bloc 106. Une tubulure 107 relie le générateur d'aérosol 105 à une canalisation 108 où circule un courant de gaz, par exemple d'air, sous une pression po supérieure de quelques bars à la pression atmosphérique. Le courant de gaz propulseur admis dans la canalisation d'entrée 109 du générateur d'aérosol est quant à elle supérieure d'un bar à la pression pg. Un diaphragme 110 est disposé dans la canalisation 108, en aval de l'entrée de l'aérosol, pour déterminer le débit de gaz.En aval du diaphragme 110, la canalisation 108 se dédouble en deux canalisations 111 et 112 aboutissant à une multiplicité de cellules d'injection adjacentes aux faces des plaques poreuses 101 et 102 opposées au volume 100. Chacune des cellules 113 communique avec la canalisation 111 ou la canalisation 112 par un col dont la section peut être réglée pour déterminer le débit de gaz traversant la portion de la plaque poreuse adjacente à cette cellule. Les cellules adjacentes à -une même plaque poreuse 101 ou 102 sont séparées les unes des autres par des cloisons 115 s'étendant entre cette même plaque et une paroi respective 116 qui lui est parallèle, les cols 114 traversant les parois 116.Les débits élémentaires déterminés par la section des cols 114 régissent à leur tour les caractéristiques d'écoulement dans le volume 100. I1 a été possible de réaliser, à l'aide de cette installation, plus de-deux mille mesures ponctuelles portant chacune sur un échantillonnage statistique de 1024 particules, en utilisant une solution de vaporisation composée de 20% en poids d'huile de paraffine et de 80% en pois de trichloréthane. Cette installation simule le fonctionnement à froid d'un propulseur sans tuyère à propergol solide. Les plaques poreuses sont planes comme le sont habituellement les plaques de propergol. Mais il est bien entendu possible d'utiliser des plaques de formes différentes en fonction des besoins de l'étude. L'invention prévoit également des installations dans lesquelles au moins un générateur d'aérosol injecte directement l'aérosol dans le volume à étudier. Le générateur d'aérosol peut être du type de celui des figures 9 et 10, la plaque 62 formant une paroi de ce volume, ou du type de celui des figures 3 à 8, la canne pénétrant dans ce volume. A titre d'exemple de réalisation, on donne figure 16 les résultats obtenus au cours d'essais en soufflerie aérodynamique en mesurant la vitesse de particules injectées à travers une onde de choc provoquée par une maquette en forme de dièdre. Dans ce cas, la vitesse théorique au passage de l'onde de choc est un échelon de Dirac, la vitesse passant brutalement de la valeur initiale (550 m/s) à une valeur plus faible (environ 530 m/s). L'ensemencement est effectué, d'une part, par un aérosol d'huile de paraffine et de trichloréthane à l'aide d'un générateur très performant de l'art antérieur et d'un générateur conforme à l'invention et, d'autre part, par une alimentation à l'aide d'un aérosol constitué de billes de latex calibrées à 0,3 fi mises en suspension dans de l'méthanol et constituant la référence. On constate que les résultats obtenus par le générateur selon l'invention sont proches de ceux obtenus grâce aux billes de latex et supérieurs à ceux du générateur de l'art antérieur. Bien entendu les applications du générateur d'aérosol selon l'invention ne sont pas limitées à l'étude des écoulements par vélocimétrie laser. Ce générateur d'aérosol peut être utilisé avec avantage chaque fois qu'un aérosol en particules très fines doit- être produit de façon fiable pendant une période prolongée. Revendications 1.- Générateur d'aérosol du type comprenant un canal capillaire (10) communiquant avec un réservoir de liquide (2) et débouchant dans un espace de vaporisation (8,9), et des moyens pour produire un courant de gaz propulseur dans l'espace de vaporisation de façon à vaporiser le liquide dans le courant de gaz à partir du canal capillaire, caractérisé en ce que la paroi (17,18) de ce dernier est définie par au moins deux pièces (13,14) séparables l'une de l'autre, les lignes de joint (19,20) entre les deux pièces dans ladite paroi s'étendant selon la longueur du canal. 2.- Générateur d'aérosol selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pièces séparables présentent des faces respectives (15,16) portant l'une sur l'autre, le canal capillaire étant défini par une cannelure (17) ménagée dans l'une desdites faces (15) tandis que l'autre face (16) est lisse. 3.- Générateur d'aérosol selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites faces (63,64) sont planes. 4.- Générateur d'aérosol selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites faces (15,16) sont cylindriques de révolution, lesdites deux pièces (13,14) constituant respectivement un noyau et un fourreau ajusté sur le noyau. 5.- Générateur d'aérosol selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cannelure (17) est ménagée dans le noyau (13). 6.- Générateur d'aérosol selon l'une des revendications 4 et 5, caractérise en ce que la cannelure s'étend selon une génératrice du cylindre. 7.- Générateur d'aérosol selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la cannelure s'étend circonférentiellement. 8.- Générateur d'aérosol selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (1) enfermant au moins en partie les deux pièces, définissant le réservoir de liquide (2) et contenant l'espace de vaporisation (8,9) et présentant un orifice de sortie (7) pour l'aérosol, le canal capillaire débouchant par une face extrême (11) des deux pièces pour établir la communication avec le réservoir. 9.- Générateur d'aérosol selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réservoir de liquide est constitué par une chambre (40) ménagée dans l'une au moins des deux pièces (31,32), celles-ci formant une canne (30) propre à être immergée directement dans un milieu à ensemencer. 10.- Installation pour l'étude de l'écoulement d'un courant de gaz dans un volume (100), du type comprenant un générateur d'aérosol (105) propre à disperser des particules dans le courant de gaz et un vélocimètre laser propre à émettre un rayon laser -en direction des particules dispersées et à analyser les rayons renvoyés par cellesci de façon à calculer au moins une composante de la vitesse du courant de gaz, caractérisé en ce que le générateur d'aérosol est conforme à l'une des revendications précédentes. 11.- Installation selon la revendication~ 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un générateur d'aérosol selon la revendication 8 et des moyens (107,108,111,112,112,101,102) pour amener l'aérosol de l'orifice de sortie du générateur au volume d'étude. 12.- Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens pour amener l'aérosol au volume d'étude comprennent au moins une plaque poreuse (101,102) formant une paroi du volume d'étude et des cellules d'injection (113-) adjacentes à la face de la plaque opposée audit volume.