Observations de l’écoulement dans les injecteurs diesel

Cette section va essayer de clarifier les phénomènes macroscopiques qui apparaissent dans les écoulements d’injecteurs diesel mono-trou et multi-trou. Puisque l’on parle de phénomènes macroscopiques, c’est-à-dire à grandes échelles, on va dans un premier temps s’attarder à ob- server ce qui se passe dans ces écoulements.

La plupart des études expérimentales qui ont cherché à caractériser ces écoulements ne s’inté- ressent évidemment pas à toute la géométrie de l’injecteur. Elles portent seulement sur la pointe de l’injecteur, telle qu’illustrée sur l’agrandissement (en bas à gauche), de la Figure 1.2. La plu- part des auteurs s’intéressent de près ou de loin au phénomène de cavitation qui apparait dans les injecteurs diesel et son impact sur l’écoulement. Ce phénomène, expliqué en introduction et illustré par la Figure 1.3, se résume brièvement par l’apparition d’une poche de carburant à

l’état de vapeur dans l’écoulement. La Figure 1.3 montre une observation expérimentale de la poche de cavitation.

Figure 1.3 Zone de cavitation

dans la buse d’un injecteur (Schmidt et al., 1999)

L’étude de Suh et al. (2008) montre par exemple que dans un injecteur mono-trou, l’écoule- ment dans la buse de l’injecteur se divise en quatre périodes importantes : écoulement turbulent, initiation de la cavitation, développement de la cavitation, renversement hydraulique (hydrau-

lic flip). La quatrième et dernière période correspond au moment où les bulles de cavitation

atteignent la sortie de l’injecteur. Ces quatre périodes sont à mettre en parallèle avec l’évolu- tion de deux nombres adimensionnelles que sont le nombre de cavitation CN et le nombre de Reynolds Re . On les définit ainsi :

CN = Pinj− Pcb P_inj − P_vap = ρU2/2 P_inj − P_vap (1.1) Re= ρU Dbuse μ (1.2)

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où P_inj est la pression d’injection et P_cb la pression en sortie de buse, dans la chambre de combustion. La pression de vapeur saturante du fluide est Pvap. Le nombre CN peut s’inter-

préter comme le rapport entre la pression dynamique et la pression locale de l’écoulement et permet de quantifier les conditions qui amène un écoulement à caviter (Lecoffre, 1994). La définition de ce nombre peut varier d’un auteur à l’autre puisque Arcoumanis et al. (1999) le défini comme dans la relation (1.1), tandis que Suh et al. (2008) définit le nombre inverse de celui de l’équation (1.1). Le nombre de Reynolds Re permet de quantifier le rapport relatif des effets d’inerties sur les effets visqueux. Les termes ρ et μ définissent respectivement la masse volumique et la viscosité dynamique du fluide. Le diamètre de la buse est D_buse et la vitesse du fluide en sortie de la buse est U . L’étude de Suh et al. (2008) montre le lien entre ces deux nombres en observant que dans un injecteur mono-trou, pour un Re évoluant entre 10 000 et 18 000, le nombre1/CN diminue (non linéairement) de 3.0 à 0.7, en passant successivement par les quatre périodes précédemment définies. En effet, cela s’explique par le fait que le nombre

CN est proportionnel au carré du nombre de Reynolds (Suh et al., 2008). De même, Suh et al.

(2008) observent que la géométrie de la buse de l’injecteur joue un rôle important puisque la cavitation s’initie sur l’angle vif de l’entrée de la buse. Ainsi, ils constatent qu’en utilisant une buse de forme conique dont l’entrée élargie ne possède pas d’angle vif, les bulles de cavitation ne se développent pas autant que précédemment, même en augmentant la pression d’injection (Suh et al., 2008). Cette nouvelle géométrie permet de limiter la chute brutale de pression en entrée de buse (Suh et al., 2008). Ainsi, on peut déjà mettre en évidence que la physique de l’écoulement dans les injecteurs diesel mono-trou est influencée par le phénomène de cavita- tion et que la géométrie de la buse a également une importance sur ce phénomène.

L’influence de la géométrie pour les écoulements dans les injecteurs multi-trou a été investi- guée par Arcoumanis et al. (1999). Cette étude analyse à la fois l’impact de la levée de l’aiguille et de son excentricité sur l’écoulement. Ils concluent que les structures de cavitation sont da- vantage influencées par la position de l’aiguille (hauteur et excentricité) que par le nombre de Reynolds. Ainsi, on peut par exemple observer que dans le volume de sac (petite cavité en des- sous de l’aiguille), un écoulement secondaire se forme entre les différentes buses de l’injecteur multi-trou, laissant place à la formation de filaments de cavitation, reliant deux trous voisins, et

interagissant avec l’écoulement (Arcoumanis et al., 1999). La Figure 1.4, est une observation de ce phénomène physique. Ainsi, cette étude permet de mettre en évidence deux choses im- portantes. Une première étant que la position de l’aiguille influence grandement l’écoulement puisque d’un point de vue macroscopique, les structures de cavitation sont influencées par ce paramètre. La seconde chose observable est que la complexité de l’écoulement se situe prin- cipalement dans le volume de sac, notamment lorsque l’écoulement n’est pas étudié à pleine ouverture d’aiguille.

Figure 1.4 Filament de cavitation dans un injecteur diesel multi-trou (levée d’aiguille intermédiaire) (Arcoumanis et al., 1999)

L’observation expérimentale est indispensable pour comprendre et visualiser concrètement la dynamique de l’écoulement dans les injecteurs. Cette approche est d’autant plus intéressante lorsqu’elle est couplée à une analyse numérique. En effet, un modèle numérique bien conçu est capable de prédire, dans un certain intervalle d’erreur, la dynamique de l’écoulement et d’ap- porter de l’information supplémentaire qu’il aurait été extrêmement difficile d’obtenir seule-

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ment expérimentalement. Les données expérimentales sont cependant toujours indispensables afin de s’assurer de la validité du modèle numérique.