Cavitation et atomisation dans les buses d'injecteurs: Etude numérique et expérimentale – CANNEx

Le programme CANNEx se focalise principalement sur l’écoulement aux alentours de l’orifice, de la caractérisation de la structure de l’écoulement à l’entrée de celui-ci à l’atomisation en proche sortie d’orifice en passant par l’écoulement cavitant à l’intérieur de la buse. Ces régions de l’écoulement sont explorées à la fois numériquement et expérimentalement. Les partenaires du programme ont une expérience reconnus dans la réalisation de visualisations sur des injecteurs transparents et dans le développement de techniques optiques avancées. Les visualisations de haute qualité de l’écoulement interne dans des conditions à haute pression seront obtenues par la combinaison de buses transparentes et de l’adaptation d’indice. L'analyse de la zone dense de l’atomisation sera faite avec l'utilisation de techniques de visualisation femtoseconde et d'imagerie balistique. L'aspect le plus ambitieux du projet est probablement de combiner ces techniques ensemble avec des simulations numériques avancées sur une configuration contrôlée et répétable.

La simulation numérique directe de l’écoulement est basée sur l’utilisation du code universitaire ARCHER développé au cours des dix dernières années pour décrire l’atomisation primaire de jets liquides purs dans un environnement gazeux.
ARCHER a été récemment adapté pour simuler les écoulements internes en utilisant la méthode des frontières immergées. L’initialisation de la cavitation sera mise en œuvre par une approche stochastique. L'évolution spatiale et temporelle de l’écoulement diphasique, comprenant les poches de cavitation, sera aussi simulée.

Deux bancs expérimentaux ont été réalisés au CORIA et au LMFA avec le soutien de DELPHI. Le premier objectif visé ici était d’obtenir sur les deux bancs des comportements les plus similaires possibles. Le niveau de similitude atteint permet ainsi de mettre en place les techniques expérimentales de pointes développées dans les deux laboratoires en optimisant les mouvements de matériel et de personnels.

Le principal résultat attendu de CANNEx est un progrès sensible de notre interprétation du phénomène cavitation et une amélioration de notre capacité à contrôler ce phénomène dans le contexte de l'injection haute pression.

H. Purwar, K. Lounnaci, S. Idlahcen, C. Rozé, J.B. Blaisot, L. Méès, M. Michard « Effect of Cavitation on Velocity in the Near-field of the Diesel Nozzle », ICLASS 2015, Taiwan.

Les écoulements dans les injecteurs haute-pression sont susceptibles de générer un phénomène de cavitation, depuis l’entrée jusqu’à la sortie de l’orifice agissant sur la formation du spray. Il est communément admis qu’une meilleur atomisation permet d’améliorer la combustion, de réduire la consommation et les émissions polluantes. Il est aussi prouvé que les orifices cavitant tendent à limiter les risques de cokéfaction liés au dépôt de résidus de combustion à l’intérieur et à la sortie des orifices de l’injecteur. Cependant, la cavitation peut diminuer l'efficacité de l'injection (coefficient de décharge) en limitant le débit. Elle peut aussi améliorer ou limiter la pulvérisation, en fonction du régime de cavitation qui se manifeste. De plus, l’implosion des bulles de cavitation à l'intérieur de l'orifice peut causer des dégâts irréversibles sur la buse par érosion, diminuant sa durée de vie et nuisant au fonctionnement hydraulique de l'injecteur. Un régime de cavitation optimum doit donc être recherché pour bénéficier des avantages de la cavitation tout en limitant ses méfaits. L'objectif de CANNEX est de proposer à la communauté scientifique de nouveaux éléments de compréhension sur le phénomène de cavitation, d’améliorer notre connaissance et notre capacité à contrôler ce phénomène dans le contexte des applications à haute pression d'injection. A cet effet, un écoulement maitrisé provenant d’un injecteur Diesel sera étudié depuis l’orifice jusqu’au spray, en utilisant des diagnostics optiques avancés et des outils numériques de pointe. Des visualisations simultanées de la cavitation à l'intérieur d'une buse transparente et du jet à la sortie de l’orifice seront réalisées. Le champ proche du spray sera caractérisé par imagerie balistique femtoseconde et le champ lointain par une technique de granulométrie par imagerie. Des calculs DNS incorporant des modèles de cavitation améliorés seront développés et appliqués pour simuler l’écoulement de l’intérieur de la buse jusqu’au spray. Les résultats numériques et expérimentaux seront comparés afin d’identifier : 1 – les liens entre la cavitation dans l’orifice et le développement de l’atomisation, 2 – les mécanismes impliqués. Est aussi visée à travers ce projet, l’application à la conception d’injecteur au design innovant, certains designs pourront être testés sur les injecteurs transparents.