7.2.1 Influence du rayon de courbure à l’entrée de l’orifice
Dans le cadre de l’étude GSM D1.2 (partenariat PSA-Renault-IFP), des études expérimentales ont été réalisées par le CRMT [85] sur des injecteurs monotrous afin de tester l’infl uence de l’entrée de l’orifice (modifiée par hydroérosion ou électroérosion). En parallèle, des calculs numériques sur ces géométries ont été effectués par PRINCIPIA sur le code EOLE. Le but de cette section est de comparer les résultats obtenus expérimentalement lors de cette étude avec les codes CAVALRY et CavIF.
Le domaine de calcul et un détail du maillage à l’entrée de l’orifice sont présentés dans la figure 7.1. C’est cette géométrie qui est utilisée pour les codes CavIF et EOLE. CAVALRY est utilisé avec le maillage présenté dans la figure 3.5.
7.2.1.1 Entrée vive (R = 0)
L’orifice de l’injecteur est de diamètre 200µm et de longueur 1mm. Trois pressions d’alimentation ont été testées : P in j = 300, 500, 1000bar et la pression aval est fixée à 60bar. On compare par rapport à
F
IG. 7.1: À gauche : domaine de calcul utilisé. À droite : zoom du maillage sur l’orifice.
l’expérimental le coefficicient de décharge Cd.
Il est important de noter en premier lieu que CAVALRY étant codé en coordonnées “ body-fitted” , on ne peut représenter l’angle vif (autrement le déterminant de la jacobienne de transformation est nul). On est donc obligé de créer un léger arrondi (de l’ordre du micromètre) pour que le code puisse calculer ce cas.
Dans le tableau suivant on peut voir, à partir du moment où l’écoulement a atteint son état stationnaire, le coefficient de décharge moyenné Cd, défini comme :
Cd= 1 Tsim− T s tab Z Tsi m Tst a b PMso r s i=1 (1 − αi(t))Vi(t)Ai q 2 (Pi n j−Pc h) ρl A0 d t, (7.1)
où Msor s représente le nombre de mailles en sortie, Ai la section de sortie de chacune, Vi leur vitesse
débitante, Tst a b le temps physique avant stabilisation de l’écoulement, Tsimle temps de simulation, et A0
la section géométrique de sortie de l’orifice d’injection. Les résultats des trois codes montrent les mêmes tendances : l’augmentation de la pression d’injection provoque une diminution du coefficient de décharge. Ceci est dû à la formation d’une poche de cavitation plus importante en fonction du nombre de cavitation. Il y a une différence entre les résultats de CavIF et ceux des deux autres codes, mais aucune mesure expé- rimentale n’est disponible à titre de comparaison. Néanmoins nous verrons dans la partie §7.2.2 que le fait que le domaine de calcul utilisé dans Cavalry ne prenne pas en compte l’écoulement en amont de l’orifice a une infl uence importante sur le résultat final.
Au cours du développement de la cavitation, on remarque la formation de poches au centre des recir- culations, puis la formation d’une cavitation par poche détachée de la paroi (un film liquide subsistant entre la cavitation et la paroi). Cette cavitation reste stationnaire, mais les conditions en amont de l’orifice (dans le siège de l’aiguille) provoquent des oscillations de vitesse dans l’orifice, visibles dans la figure 7.3 et dans les courbes de coefficients de décharge présentées dans la figure 7.2.
F
IG. 7.2: Coefficient de débit en fonction du temps. Résultats de calcul de CAVIF.
F
IG. 7.3: Développement de la cavitation pour un angle vif et P
inj= 300b ar. Infl uence
CRMT EOLE CAVALRY CAVIF
300
-
0.81
0.85
0.76
500
-
0.79
0.81
0.72
1000
-
0.73
0.78
0.69
T
AB. 7.1: Coefficients de décharge dans un injecteur monotrou à entrée vive, en prenant
en compte le sac dans le domaine de calcul.
7.2.1.2 Entrée légèrement arrondie (R = 10µm)
Nous avons légèrement arrondi l’entrée vive pour simuler un trou très peu érodé, proche de celui uti- lisé par le CRMT pour ses expériences. Les résultats obtenus sont les suivants : Les résultats numériques
Pression (bar)
Cd (-)
CRMT (R = 10µm) EOLE CAVIF
300
0.85
0.83
0.82
500
0.81
0.84
0.80
1000
0.81
0.75
0.78
T
AB. 7.2: Coefficients de décharge dans un injecteur monotrou avec rayon d’entrée de
10µm.
montrent une légère sous-estimation du Cdpar rapport aux données expérimentales, mais encore une fois
la diminution du coefficient de décharge avec l’augmentation du nombre de cavitation est bien représentée. La valeur de Cdest supérieure dans ce cas au Cdobtenu pour l’entrée vive : la zone de cavitation est plus
petite sur la section, ce qui permet d’augmenter la section efficace, représentative de la section de passage du liquide.
7.2.1.3 Entrée arrondie (R = 5 0µm)
Dans le cas d’un injecteur monotrou fortement érodé, on remarque (voir tableau 7.2.1.3) que les co- efficients de perte de charge sont supérieurs aux valeurs rencontrées pour des angles plus vifs. Ceci est dû au fait qu’il n’y a plus de recirculation à l’entrée de l’orifice, que les contraintes dues au cisaillement sont inférieures au cas précédent. Il est également important de noter que le Cd, dans ce cas, reste stable : On ne
voit plus l’infl uence de l’écoulement amont sur le comportement du fl uide dans l’orifice.
Pression (bar)
Cd (-)
EOLE CAVIF
300
0.96
0.93
500
0.91
0.90
1000
0.89
0.90
T
AB. 7.3: Coefficients de décharge dans un injecteur monotrou avec un rayon d’entrée de
7.2.1.4 Synthèse des résultats
En augmentant le rayon de courbure à l’entrée de l’orifice, on observe plusieurs conséquences : – la cavitation diminue, car on diminue les zones de recirculation : le nombre de cavitation n’est donc
pas suffisant pour caractériser la cavitation dans ce type de configuration ;
– l’infl uence de l’écoulement amont sur le comportement du fl uide à la sortie de l’orifice est diminué, rendant le débit plus stable(moins de fl uctuations de vitesse) ;
– on augmente le débit injecté (on gagne près de 30% de débit massique à Pinj = 1000ba rentre
l’entrée vive et le rayon de courbure de 50µ m).
7.2.2 Influence de l’écoulement amont pour un injecteur à entrée
vive
Dans le cas où on ne modélise que l’orifice de l’injection (sans le siège de l’aiguille), on remarque une structure d’écoulement complètement différente de celle décrite dans la section 7.2.1.1. L’évolution en fonction du temps du Cdest montrée dans la figure 7.4. À partir du moment où la cavitation atteint la
sortie tout en restant attachée à la paroi de l’orifice, l’écoulement est “ choqué” , comme on l’a vu dans la section §6.5. Ce phénomène a été largement décrit dans de nombreux travaux [14,55,66,80,97,99,109,
115,120]. En fait, la cavitation peut saturer l’écoulement dans l’injecteur, à condition que les conditions amont soient non perturbées. Dans le cas où des fl uctuations de vitesse, dues à la configuration du siège de l’aiguille, interagissent avec l’écoulement dans l’orifice, la cavitation se détache de la paroi (un film de liquide s’interpose entre la poche et la paroi). Ceci montre bien, comme nous l’avons dit dans la section 1.3.2, que des conditions type "hydraulic fl ip" ne peuvent intervenir que si l’écoulement amont est stable, ou alors n’apparaître que très brièvement.
0e+00 1e−05 2e−05 3e−05 4e−05
Temps (s) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Cd (−) Pinj = 500bar Pinj = 300bar Pinj = 1000bar