Physique du jet et sa modélisation

Phénomènes du jet

es phénomènes englobent tous les phénomènes qui sont en compétition dans l’injection de carburant. Il est possible de dénombrer près de huit phénomènes distincts, comme suit: écoulement interne, première fragmentation, seconde fragmentation, collision, agglomération, évaporation, entrainement d’air et impact sur la paroi.

De ces phénomènes, l’impact sur la paroi peut être négligé dans cette étude. En effet. Les résultats de référence à ce présent travail n’incluent pas les effets de la paroi dans l’expérience. La présence de carburant sur une paroi froide est généralement nuisible, puisque la présence d’hydrocarbures imbrûlés augmente significativement. Sur une paroi chaude, l’évaporation est accentuée et la présence de davantage de turbulence augmente la vitesse de mélange avec l’air ambiant (Baumgarten, 2006).

Écoulement interne orifice

L’écoulement interne dans l’orifice de l’injecteur est le point d’origine de l’injection. Le mécanisme est complexe, mais il est possible d’y retrouver deux phénomènes dominants : la turbulence de l’écoulement et la cavitation (Arcoumanis et al., 1997). Ces phénomènes influencent la dynamique de l’écoulement, particulièrement la première fragmentation (Sazhin et al., 2008).

La turbulence à la sortie de l’injecteur est due principalement à la couche limite des parois de l’injecteur, mais également par le passage d’une turbulence créée par le soulèvement initial de l’aiguille (Chouak et al., 2015). La cavitation provient de l’accélération du carburant à travers l’orifice de la buse de l’injecteur. Cette accélération provoque une chute de la pression statique du carburant, qui peut alors atteindre une pression inférieure à la pression de vapeur du carburant (Brennen, 1995). Une partie du carburant passe donc sous une forme gazeuse et forme des bulles, qui se mélangent à la partie liquide. Lorsque ces bulles atteignent la sortie de l’orifice, la différence de pression provoque l’implosion des bulles, ajoute des perturbations et fragmente le jet (Schmidt et Corradini, 2001).

Les techniques de visualisation expérimentales ne permettent pas de bien observer la dynamique de l’écoulement à l’intérieur de l’injecteur, ce qui rend difficile de différencier l’effet de la turbulence de la cavitation (Coghe et Cossali, 2012). Il est donc difficile de produire un modèle de première fragmentation qui prend en compte la complexité de l’écoulement interne. Pour cette raison, l’écoulement interne et la première fragmentation sont généralement combinés en un seul modèle.

Première fragmentation

La première fragmentation débute lorsque le liquide sort de l’injecteur. Le type de gouttelette qui est formé par le phénomène dépend des conditions d’atomisation, principalement la pression du carburant, la géométrie de l’injecteur, la pression ambiante et la température ambiante. Cette fragmentation transforme le liquide qui sort de l’injecteur en un jet dense, puis se divise en un ensemble de gouttes et de filaments de tailles diverses. Il est possible de classer le type de fragmentation dans trois catégories distinctes en fonction de nombres adimensionnels. Ces catégories permettent de prédire la taille et la forme des gouttes ou des filaments. Les trois régimes les plus communs sont le régime de Reyleigh, le régime aérodynamique et le régime d’atomisation. Pour savoir quel est le régime le plus approprié pour un jet de carburant, il est nécessaire d’utiliser des nombres adimensionnels.

Seconde fragmentation

La seconde fragmentation des gouttes est due aux forces aérodynamiques provoquées par la différence de vitesse entre la goutte et l’écoulement ambiant. Ces forces déforment et arrachent de la matière aux gouttes, ce qui vient former de nouvelles gouttes. Le mode de fragmentation dépend du nombre de Weber, qui se caractérise par le rapport des forces aérodynamiques sur la tension de surface du liquide (Stiesch, 2003).

Les modes de fragmentation ont été identifiés à partir d’études expérimentales et permettent de classifier entre cinq et sept modes distincts en fonction du nombre de Weber (Arcoumanis et al., 1997). Des désaccords existent sur le nombre exact de modes et la valeur des seuils qui les séparent, mais la classification la plus simple distingue cinq modes .

Pour modéliser la fragmentation dans un code numérique, deux types de méthode sont souvent utilisés : une modélisation des causes de la fragmentation (perturbations et déformations) ou l’utilisation du nombre de Weber pour simplifier la fragmentation. Dans cette étude, deux modèles de fragmentation seront utilisé : le modèle KHRT et le modèle SSD.

Il est important de mentionner que les modèles de seconde fragmentation utilisent des constantes pour calibrer les modèles. Une étape de calibration est souvent nécessaire pour obtenir des résultats numériques représentatifs, mais elle peut s’avérer coûteuse, (Lee et al., 2002). Les effets physiques, tels que la pression ambiante ou la température du liquide, et les effets numériques, tels que le maillage, les modèles de turbulence ou les schémas de discrétisation, peuvent avoir un impact important sur les constantes de calibration (Vijayraghavan Iyengar et Rutland, 2013).

Le modèle SSD, pour « Stochastic Secondary Droplet », évalue le nombre de Weber et le temps de fragmentation pour chaque gouttelette, puis fragmente la gouttelette lorsque le temps de fragmentation atteint la durée d’instabilité. Ce modèle inclut également une distribution aléatoire de diamètres de gouttelettes après la fragmentation (Apte et Gorokhovski, 2003).