ModÃ©lisation de l'Ã©coulement diphasique dans les injecteurs Diesel

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140 CHAPITRE 7 : RÉSULTATS DE CALCULS7.3 Écoulement tridimensionnel dans une géométrie d’injecteursimplifiéeAfin de comprendre ce qui se passe dans un injecteur Diesel, nous avons vu que certains expérimentateurseffectuaient des tests sur des maquettes à grande échelle. Il est même souvent utile de simplifier lagéométrie afin de mieux visualiser les phénomènes que l’on veut étudier. C’est le cas de Soteriou [123],qui effectue des tests sur un injecteur monotrou de taille ×20. Elle y ajoute des inserts (voir figure 2.5)afin d’augmenter la complexité de l’écoulement et se rapprocher d’une configuration d’injecteur réel. Cettegéométrie a d’abord été utilisée dans le cadre d’un programme d’étude sur les injecteurs à géométrie variable.Mais les conclusions expérimentales peuvent être généralisées aux écoulements dans les injecteursclassiques (type VCO).Soteriou et al [122, 123, 124] ont montré qu’au sein de l’écoulement dans l’orifice de sortie de l’injecteurse développent des tourbillons. Au centre de ces tourbillons peut se former de la cavitation. Mais lacaractéristique principale de ces structures est qu’elles subsistent jusqu’à la sortie de l’injecteur et au-delà,dans le spray (voir figure 2.6).Le code CavIF pouvant traiter des écoulements tridimensionnels, il est intéressant de voir s’il est capablede reproduire ce type de structures. Nous avons donc reproduit l’injecteur de Soteriou avec un insertgrâce au mailleur ICEM-CFD. Le nombre de noeuds est de 30×53×108, et une symétrie en plan I = 1 esteffectuée au centre de la conduite pour réduire le temps de calcul. Des sections dans le plan ( −→ i , −→ j ) sontmontrées figures 7.5 et 7.6.Les conditions de calcul sont les suivantes : P inj = 140bar, et P c h = 75bar, soit un nombre decavitation CN = 0.86 (qui, associé à l’équivalence du nombre de Reynolds permet la comparaison auxexpériences de Soteriou). Le liquide est au départ au repos dans toute la géométrie à la pression P = 75bar.Les résultats de calcul sont montrés dans les figures 7.7, 7.8, 7.9 et 7.10 en représentant le domaine complet(symétrie par rapport au plan i = 1) pour comparaison avec les résultats de soteriou. Au début du calcul,l’écoulement s’établit (développement de l’onde de pression jusqu’à la sortie), puis il y a débouchement del’écoulement dans l’orifice de sortie, qu’on peut voir dans la figure 7.11 : on voit la vitesse dans la partieinférieure de la section qui se dirige vers le haut de l’orifice. Le fl uide dans la partie haute de la section està l’arrêt (proche de la paroi de l’insert, qui bouche la moitié de la conduite). Sur le périmètre de la sectionde passage du fl uide, on remarque une diminution de la masse volumique due au cisaillement (pouvantconduire à une apparition locale de cavitation attachée).En progressant dans l’orifice vers la sortie, on remarque l’apparition de structures cohérentes. Dans lafigure 7.12, un tourbillon au centre duquel la masse volumique décroît très fortement est visible. C’est à cetendroit que la masse volumique est la plus faible du domaine (ρ = 20k g /m 3 ) et que la poche de cavitationa commencé de se former (voir figure 7.8).Plus loin en avançant dans l’orifice, cette structure cohérente occupe la totalité de la demi-section (voirfigure 7.13). On retrouve le type d’écoulement montré dans la figure 1.19 : les sens sont inversés, mais celaest dû au fait que dans un injecteur classique, l’écoulement arrive par “ le haut” (par le siège de l’aiguille).Dans notre cas, l’écoulement arrive par “ le bas” (sous l’insert). Le tourbillon a permis d’entretenir la pochede cavitation, celle-ci s’est développée vers “ le bas” , grâce à la formation d’un tourbillon secondaire dansla partie inférieure de la section. Ce comportement de la poche est aussi visible dans les figures 7.10.La poche de cavitation se retrouve ensuite au centre du vortex secondaire, dans la partie inférieure dela section de l’orifice (voir figure 7.14). Ce vortex se diffuse ensuite (entraînant le collapse de la pochede cavitation) jusqu’à la sortie, où l’on remarque la structure principale qui est encore prédominante (voirfigure 7.15). Il est intéressant de voir que l’écoulement qui sort le plus rapidement dans la direction axialeest également le plus rotationnel : cela explique les structures visibles dans le spray par Soteriou , et quisubsistent loin en aval de l’injecteur (voir figure 2.5).
CHAPITRE 7 : RÉSULTATS DE CALCULS 141La visualisation des vecteurs vitesse dans le plan i = 1 (figure 7.3) montre l’écoulement “ moyen” aucentre de l’orifice, et est en accord avec le schéma proposé par Soteriou (voir figure) : on voit l’accélérationdu fl uide à son entrée dans l’orifice (où on remarque l’apparition de la cavitation vue figure 7.11), puis son“ impact” sur la partie supérieure de l’injecteur, et son “ rebond” qui force le fl uide à se déplacer vers “ lebas” . La comparaison avec le schéma proposé par Soteriou dans la figure 1.20 montre l’intérêt du code pourl’analyse qualitative des structures de sprays : nous avons expliqué pourquoi le spray est dirigé vers “ lebas” , et comment se sont formées les structures tourbillonnantes dans cette géométrie.FIG. 7.5: Plans de mailles utilisés dans le calcul de l’injecteur de SoteriouFIG. 7.6: Gros plan sur un rang de mailles de l’orifice de sortie
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