Page | 35
Chapitre 4
4 Caractérisation de la distribution
granulométrique des gouttelettes d'un aérosol
4.1 Introduction
Ce chapitre a pour but de déterminer la
granulométrie des aérosols générés par
l'atomiseur utilisé pour nos expériences. Pour comprendre le
dispositif expérimental utilisé, deux points seront
développés.
Le premier consistera à expliquer le principe de
mesure de la granulométrie par PDI (Phase Doppler Interferometry),
celui-ci permet d'obtenir la caractéristique de la distribution en terme
de diamètre moyen (D10) et diamètre de sauter SMD (D32).
Deuxièmement, l'analyse des histogrammes de distributions de
gouttelettes, et l'évolution des diamètres D10 et D32 en fonction
du débit d'air de travail seront abordées.
4.2 Méthode de mesure granulométrique par
PDI (Phase Doppler Interferometry)
La détermination de la granulométrie des
aérosols se fait par la technique de mesure par
interférométrie Phase Doppler PDI dont l'avantage est
d'être non intrusive.
4.2.1 Principe de mesure par PDI
Le principe de mesure repose sur l'utilisation de la
cohérence de deux faisceaux laser produit par un émetteur, qui
crée un réseau de franges d'interférence dans un volume,
et l'analyse des signaux résultant du passage des gouttelettes au sein
de ce réseau de franges, appelées « bouffées Doppler
». La figure 4.1 représente la disposition des composants
(émetteur et récepteur) du système de mesure. Il est
important de focaliser précisément le point d'intersection des
faisceaux lasers et le point définissant la zone de mesure, et de
positionner le récepteur dans l'axe des rayons réfléchis
par les gouttelettes, de manière à positionner le système
optique du récepteur sur le volume de mesure. Les angles de collection
de l'axe du récepteur sont typiquement de 30 ou 40° par rapport aux
rayons lasers issus de l'émetteur. Durant l'expérience, l'angle a
été fixé à 40° pour optimiser la
réfraction du 1er ordre.
Page | 36
Figure 4.1 - Principe de mesure
granulométrique par PDI (Phase Doppler Interferometer)
Les lasers vert et bleu, respectivement de longueur d'onde de
532 et 473 nm, sont issus de l'émetteur. Une gamme de focales de 350
à 2000 mm est disponible. Pour la partie expérimentale, deux
focales de longueur de 500 mm sont utilisés, l'une pour
l'émetteur, et l'autre pour le récepteur. Ces focales permettent
d'effectuer des mesures dans les gammes de tailles de gouttelettes allant de
1,5 à 160 um. Les caractéristiques des focales sont reprises dans
le tableau 4.1.
Focale émetteur
(mm)
|
Focale récepteur
(mm)
|
Gamme de tailles
mesurables (um)
|
Vitesse min (m/s)
|
Vitesse max (m/s)
|
500
|
500
|
1.5~160
|
-100
|
400
|
|
Tableau 4.1 - Gammes de mesure de taille et
de vitesse des gouttelettes
L'indice de réfraction est un paramètre
important qui caractérise la vitesse de la lumière à
travers les gouttelettes de l'aérosol. Il est de l'ordre de 1,33 pour
les gouttelettes d'eau. Pour nos autres liquides de travail l'indice change :
soit 1,42 pour le dodécane et 1,45 pour le kérosène.
Page | 37
La granulométrie
L'interaction entre le faisceau laser incident et la
gouttelette liquide sphérique est représenté à la
figure 4.2. Le point intéressant est la réfraction du
1er ordre et les variations de phases qui s'ensuivent. Les
méthodes de mesures reposent sur la variation de trajet optique des
faisceaux lors du passage à travers la gouttelette vue par des
détecteurs placés à des angles azimutaux différents
(figure 4.3). Cette variation est à l'origine du déphasage entre
le rayon incident et le rayon réfracté.
Figure 4.2 - Interaction des faisceaux lasers
avec une gouttelette liquide
Connaissant la distance séparant les
détecteurs, la longueur d'onde du laser et le déphasage entre les
deux signaux à chaque « bouffée Doppler », la taille de
la gouttelette peut être calculée. Dans ce cas-ci, trois
photomultiplicateurs (PM, 1, 2, 3) sont utilisés pour effectuer des
mesures de déphasage. Ces mesures servent à vérifier la
sphéricité des gouttelettes mais également à
éliminer les gouttelettes ayant un déphasage de plus de 360°
qui sortent de la gamme d'échantillon mesurable.
Figure 4.3 - Principe de détection des
rayons lumineux réfractés
La détermination du diamètre de gouttelettes
repose sur le fait que le déphasage spatial Ö est proportionnel
à la taille des gouttelettes présentes dans le volume de mesure.
Le déphasage ??1-2 entre deux photomultiplicateurs est calculé
comme suit : ??1-2 = (??1-2/?? ) * 360, où P est la période du
signal sinusoïdal issu de la bouffé e Doppler.
La mesure du déphasage ??1-2 permet donc de remonter
au déphasage spatial et ainsi au diamètre de la gouttelette.
Cependant, trois photomultiplicateurs (PM, 1, 2, 3) sont nécessaires
pour une mesure correcte du diamètre de la gouttelette, car, l'analyse
de la déviation des faisceaux laser dans la gouttelette repose sur les
lois de l'optique géométrique qui ne sont applicables qu'à
des gouttelettes sphériques. La comparaison entre les mesures des PM
(1-2) et des PM (1-3) (figure 4.4) permet ainsi de vérifier cette
sphéricité, et de valider les gouttelettes pour lesquelles les
mesures sont exactes. De plus, l'utilisation d'un troisième
photomultiplicateur permet l'élimination directe des gouttelettes
dépassant la borne supérieure de la gamme de diamètre
mesurable (avec un déphasage de plus de 360°).
Page | 38
Figure 4.4 - Variation du déphasage en
fonction de la taille des gouttelettes
La vélocimétrie
Cette technique s'appuie sur l'utilisation de la
cohérence de deux faisceaux lasers pour créer un réseau de
franges d'interférence dans un volume de mesure (typiquement quelque
mm3, cf. figure 4.5) et d'utiliser ce réseau de franges pour
analyser le signal lumineux obtenu par le passage d'une gouttelette liquide.
Page | 39
Figure 4.5 - Principe de mesure de
vélocimétrie des gouttelettes
L'intersection de deux faisceaux lasers cohérents
permet d'obtenir un réseau d'interfranges connu, et la gouttelette
animée d'une vitesse non nulle, diffuse la lumière modulée
au passage du réseau. Il s'ensuit un signal sinusoïdal de
période correspondant au passage de la gouttelette d'une raie à
la suivante (pourvu que la taille de la gouttelette soit inférieure
à l'interfrange). La connaissance de l'interfrange et de la
période de passage de la gouttelette permet de calculer la vitesse de la
gouttelette dans le plan des franges et perpendiculairement au réseau de
franges.
| 
