Projet ANR-13-TDMO-0003 – CANNEx : Cavitation et atomisation dans les buses d'injecteurs: Etude numérique et expérimentale
Programme : Transports Durables et Mobilité (TDM)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Bernard BLAISOT (Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie)
Partenaires : Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie; DELPHI FRANCE SAS; Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique
Montant : 869564.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Effets positifs ou négatifs de la cavitation sur l’atomisation ou sur l’injecteur : analyse expérimentale dans des orifices transparents à l’échelle 1 et analyse numérique par des simulations avancéesLes écoulements dans les injecteurs haute-pression peuvent générer de la cavitation. Le contrôle de la cavitation est indispensable pour une meilleure maitrise de l’atomisation, de la combustion et donc de la consommation et des émissions polluantes. Le programme CANNEX a pour ambition d’améliorer notre compréhension de ce phénomène dans le cas de l’injection haute-pression en mettant en œuvre des outils avancés de simulation numérique et des méthodes expérimentales de pointe.
Comment maitriser l’occurrence et le développement de la cavitation dans l’orifice d'un injecteur de taille réaliste pour contrôler la combustion, les émissions de polluant et la consommation ?La cavitation est un phénomène clé dans la problématique actuelle du rendement des moteurs automobiles. La cavitation est un phénomène transitoire ayant lieu dans des zones de fort gradient de vitesse ou de faible pression locale. Suivant le type de cavitation, l’atomisation du carburant peut être améliorée ou non, de même que le fonctionnement de l’injecteur peut ou non être affecté. Les conditions d’apparition de la cavitation dans des orifices de taille réelle et le lien avec l’atomisation qui en résulte ne sont pas encore complétement établis. Le programme CANNEx a pour ambition de réaliser une analyse globale de l’écoulement à l’intérieur et juste en sortie de l’orifice pour caractériser l’impact des conditions d’écoulement  sur le développement de la cavitation et sur les corrélations entre la cavitation et l’atomisation primaire. L’une des difficultés majeures vient de la réalisation d’expériences sur des orifices transparents de taille réaliste (échelle un) de façon à produire des résultats directement transposables aux applications ciblées. Une autre difficulté provient  de la forte densité optique de l’écoulement diphasique en proche sortie d’injecteur. Les simulations numériques mises en œuvre dans ce programme font appel à des techniques numériques avancées. Les méthodes et moyens expérimentaux mis en œuvre s’appuient sur des techniques de pointe.
Observation de la cavitation dans des orifices à l’échelle un par des méthodes numériques avancées et des techniques expérimentales de pointe.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.
Résumé de la soumission : 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.
Résultats : 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.
Perspectives : 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.
Publications et brevets : 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.