Écoulement dans le volume du sac

L’effet de l’aiguille sur les caractéristiques de l’injection en général ne peut aujourd’hui être discerné sans la compréhension préliminaire de la dynamique de l’écoulement dans le sac. En dépit de la richesse des études numériques sur l’écoulement interne de l’injecteur,

malheureusement peu d’auteurs se sont réellement intéressés à l’analyse de l’écoulement dans le volume du sac bien que cette zone soit toujours prise en compte par les modèles CFD. Ci- après, nous allons revoir les principaux résultats de ces études.

Les études numériques de Xue et al. (2013), He et al. (2013) et Battistoni et al. (2014) ont caractérisé l’influence des mouvements axial et latéral de l’aiguille sur l’écoulement interne de l’injecteur. Dans le cas des injecteurs multi-trous, les trois groupes d’auteurs ont montré que le mouvement excentré de l’aiguille produit une dissymétrie de l’écoulement au niveau du sac tel que présenté sur la Figure 1.5. L’observation des lignes de courant dans le sac montre bien une recirculation autour de la pointe de l’aiguille causée par son mouvement excentrique. Cette dissymétrie explique les variations de débit d’un trou à l’autre observées expérimentalement. Dans le cas des injecteurs mono-trou, Xue et al. (2013) ont montré que seul le mouvement axial de l’aiguille est important et que les caractéristiques de l’écoulement dans la buse ne semblent pas être influencées par le mouvement excentré. L’une des raisons évoquées est que la distance qui sépare le siège de l’aiguille et le trou est plus grande dans l’injecteur mono-trou que dans les injecteurs multi-trous. Cet aspect complexifie davantage la dynamique de l’écoulement interne dans les injecteurs multi-trous, ce qui explique le grand nombre d’études en littérature sur ce type d’injecteur. Toutefois, si le mouvement excentré de l’aiguille n’est pas important dans le cas des injecteurs mono-trou, les effets transitoires liés au mouvement axial de l’aiguille restent toujours importants. Ces effets transitoires nécessitent d’être investigués pour mieux comprendre la production de turbulence enregistrée à la sortie de l’injecteur à très faibles levées d’aiguille (Margot et al., 2011).

Il existe deux approches en numérique pour étudier l’effet du déplacement axial de l’aiguille sur l’écoulement interne : la première consiste à simuler l’écoulement à positions d’aiguille fixes (modèle statique), la seconde consiste à simuler le mouvement transitoire de l’aiguille avec un maillage mobile (modèle dynamique). Pour mieux visualiser l’effet de l’aiguille entre les modèles statique et transitoire, la Figure 1.6 compare les résultats URANS du champ de vitesse obtenus par Pelletingeas (2014) en statique à ceux obtenus par Reveillon (2016) en dynamique. En ce qui concerne les points de concordance, les deux modèles permettent

d’observer une structure générique de l’écoulement moyen dans le sac; elle se compose d’un jet de carburant à haute vitesse qui provient de la zone de restriction au niveau du siège de l’aiguille. Ce jet sépare deux structures tourbillonnaires : une petite zone de recirculation dans le sillage de l’aiguille, et une grande qui s’étale sur le ventre du sac du côté extérieur du jet. De plus, les deux auteurs s’accordent sur l’effet important de l’aiguille à faibles hauteurs sur l’écoulement dans le sac; d’une part, l’ouverture de l’aiguille augmente la section de passage de l’écoulement à travers la zone du siège, et le jet ainsi formé dans le sac s’élargit et perd de la vitesse. Et d’autre part, comme montré sur la Figure 1.6 (2ème _{colonne), il est possible}

d’observer un détachement du jet en statique et en dynamique. Ce décollement du jet est responsable de la disparition de la grande structure de recirculation dans le ventre du sac, identifiée sur la Figure 1.6-a (structure A), et de l’apparition de nouvelles structures (D et F).

Figure 1.5 Résultats URANS sur l’effet du mouvement excentré de l’aiguille dans le cas d’un injecteur multi-trous à l’aide des lignes de courant : a) vue d’ensemble des 6 trous - b)

zoom sur les trous 1,2 et 3, tirée de Xue et al. (2013)

En revanche, les résultats des deux auteurs ne s’accordent pas sur les positions d’aiguille où le détachement du jet se produit. En effet, Pelletingeas (2014) a identifié trois phases en statique : une première phase pour les levées d’aiguille inférieures à 6 % où le jet est collé à la paroi de l’aiguille, puis une seconde phase sur l’intervalle 6 % − 15.6 % où le jet se décolle et se courbe

vers le corps de l’injecteur, et une troisième phase pour les levées supérieures à 15.6 % où le jet recolle à la paroi de l’aiguille. Cependant, Reveillon (2016) a observé lors de la simulation du cycle transitoire d’injection que le jet reste tout le temps collé à la paroi de l’aiguille et ne décolle que vers la fin de la fermeture, i.e. pour les levées d’aiguille inférieures à 5.3 %.

Figure 1.6 Résultats URANS de l’effet de la position de l’aiguille sur l’écoulement dans le sac pour ∆ = 72 MPa en : a) dynamique (Reveillon, 2016) avec lignes de courant tracées et

identification des structures de l’écoulement - b) statique (Pelletingeas, 2014)

Compte tenu des hypothèses associées à la modélisation de toutes les échelles de la turbulence avec l’approche URANS, et des différences observées entre les modèles statique (à levées fixes) et dynamique (avec mouvement) au niveau des prédictions de l’écoulement dans le sac,

a) b) (m/s) Phase d’ouverture 4 % Phase de fermeture 4 % Phase quasi- stationnaire 21 % 4 % 8 % 21 %

il reste encore difficile de conclure sur les effets statique et dynamique de l’aiguille sur l’écoulement interne avec l’approche URANS. Pour acquérir plus de fidélité quant à la résolution des grandes échelles instationnaires présentes dans le sac de l’injecteur, une résolution supérieure de la turbulence est requise et peut être accomplie avec l’approche LES.