INJECTION DIRECTE D'ESSENCE

        Dans cette partie, nous allons nous intéresser au comportement d'une goutte d'essence injecte dans le cylindre. L'etude de ce comportement est entièrement basée sur des simulations numériques réalisées avec le code de calcul FLUENT. Deux paramètres de l'injection directe vont être testes au cours des simulations: le diamètre des gouttes injectées et l'angle d'incidence de l'injection.
 
 

Présentation de la simulation

    La première étape est de simuler une rotation de l'écoulement a l'intérieur du cylindre. Le problème traite est en deux dimensions. La géométrie utilisée est la suivante:


    Le cylindre dispose d'une entrée et d'une sortie. Les dimensions du piston seul (c'est-à-dire sans l'entrée et la sortie) sont de 9,8 cm pour le diamètre et de 4,9 cm pour la hauteur.
    En entrée, la vitesse est de 10 m/s, ce qui permet de générer l'écoulement tournant. Les dimensions du piston seul (c'est-à-dire sans l'entrée et la sortie) sont de 9,8 cm pour le diamètre et de 4,9 cm pour la hauteur. La figure suivante nous montre l'allure de l'écoulement dans le cylindre:
 
 




I. Première simulation:
Particules à diamètres fixes

    Le premier type de résolution repose sur un modèle physique très simplifie: la goutte d'essence n'est pas vaporisée. En conséquence, son diamètre reste constant au cours de la simulation. De plus, nous étudions ici le comportement d'une goutte isolée, les interactions existant entre les gouttes dans le cas réel sont donc négligées.
    Au cours des essais réalisés dans cette partie, deux paramètres varient: le diamètre et l'angle d'injection. Par la suite, nous étudierons pour plusieurs angles d'injections l'évolution des trajectoires en fonction du diamètre de la goutte.
 

    I.1 Incidence nulle

    L'incidence nulle représente le cas ou la goutte est injectée perpendiculairement a la surface du cylindre. La vitesse d'injection est de 50m/s. Les résultats obtenus sont présentés ci-dessous:
 

D = 15.10-6 m

D = 25.10-6

 

D = 28.10-6

D = 30.10-6

 

D = 32.10-6

D = 34.10-6

    Comme nous pouvons le constater, il existe trois types de comportements: pour les gouttes de faibles diamètres (D < 28.10-6 m), la goutte d'essence suit bien la trajectoire imposée par l'écoulement a l'intérieur du cylindre. Pour des diamètres compris entre D = 28.10-6 m et D = 34.10-6 m, l'inertie de la goutte devient plus importante et l'influence de l'écoulement externe est moindre: la goutte vient s'écraser contre la paroi latérale. Enfin, pour des diamètres supérieurs a  34.10-6 m, la trajectoire de la goutte n'est pratiquement plus influencée par l'écoulement extérieur et la goutte vient s'écraser contre la paroi.
    Le graphique ci-dessous nous montre le comportement d'une goutte de diamètre D = 50.10-6 m:

D = 50.10-6

    Comme nous pouvons le constater sur le graphique, la goutte n'est pas influencée par l'écoulement extérieur et vient s'écraser directement sur le piston.

    I.2 Incidence 15o

    Dans ce cas,  la goutte est injectée avec une incidence de 15o par rapport à la paroi supérieur du piston. Le vecteur vitesse reste égal a 50 m/s. Les résultats obtenus sont présentés ci-dessous:
 
 

D = 25.10-6

D = 30.10-6

 

D = 32.10-6

D = 34.10-6

    Comme nous pouvons le remarquer, l'incidence a très peu d'influence sur le comportement de la goutte, comparativement au cas d'incidence nulle. En fait, les études réalisées pour divers angles d'incidences ont montre que l'incidence ne modifiait pratiquement pas le comportement de la goutte lorsque celle-ci était injection dans le sens global de l'écoulement. En revanche, le fait d'injecter la goutte dans le sens oppose à celui de l'écoulement entraîne des modifications non négligeables. Nous allons donc nous intéresser par la suite a ces cas, qui correspondent à des angles d'incidences négatifs.

    I.3 Incidence -15o

    Nous réalisons cette fois-ci une injection qui `s'oppose' au sens global de l'écoulement. La valeur de la vitesse d'injection est toujours de 50 m/s.
 
 

D = 25.10-6

D = 30.10-6


 

D = 30.10-6 m

D = 34.10-6 m

D = 35.10-6 m

    Cette fois-ci, le contact avec le piston ne se fait plus pour des gouttes de diamètre D = 34.10-6 m  mais pour D = 35.10-6 m. La différence reste certes minime, mais celle-ci va s'accentuer avec l'angle d'incidence, comme nous allons le voir par la suite. Notons de plus que le choc sur la surface du piston a lieu pour un temps proche de 7 ms, alors que dans le cas de l'incidence normale, le choc a lieu pour un temps proche de 5 ms. Ceci est un paramètre important, car comme nous allons le voir par la suite, la position du piston et la vaporisation de la goutte dépendent bien évidemment du temps.

    I.4 Incidence -30o
 
 

D = 30.10-6 m

D = 33.10-6 m

 

D = 35.10-6 m

D = 38.10-6 m

D = 39.10-6 m

    Pour le cas considéré, l'incidence a un réel impact sur la trajectoire de la goutte d'essence, car celle-ci ne vient heurter le piston que pour des diamètres supérieurs a D = 39.10-6 m, ce qui représente 4 microns de plus que dans le cas de l'incidence normale, soit plus de 10%.

    I.5 Incidence - 45o
 
 

D = 30.10-6 m

D = 35.10-6 m

 

D = 37.10-6 m

D = 40.10-6 m

 

D = 43.10-6 m

D = 45.10-6 m

    Ce cas est plus délicat à traiter. En effet, étant donne l'angle d'incidence, la goutte ne vient jamais heurter le piston. A forts diamètres, la goutte vient s'écraser sur la paroi latérale. Il est donc plus difficile de dire à partir de quel diamètre limite la goutte a un diamètre trop gros pour répondre aux exigences de l'injection directe.

II. Interprétation des résultats

    II.1 Diagramme diamètre

    Il est difficile de dire précisément à partir de quel diamètre une goutte devient trop grosse pour répondre aux exigences de l'injection directe. En effet, le point d'impact, même s'il a son importance, n'est pas le seul paramètre à prendre en compte. Le temps auquel l'impact s'effectue est tout aussi important, car de lui dépend la position du piston et le degré de vaporisation de la goutte. L'influence du temps sera examine par la suite.
    Dans un premier temps, nous allons nous intéresser uniquement a la position du point d'impact, et l'étude réalisée suppose deux choses:
- le piston est immobile durant la simulation
- le diamètre de la goutte reste constant (pas de vaporisation)
    Le diagramme qui suit représente l'évolution du diamètre limite en fonction de l'incidence. La notion de diamètre limite caractérise le diamètre à partir duquel la goutte vient heurter le piston.

    En raison de la remarque faite précédemment, la notion de diamètre limite a une signification différente pour le cas de l'incidence a 45o. Le diamètre limite pris est de 45 microns, diamètre à partir duquel la goutte vient heurter la paroi latérale de manière quasi rectiligne.
 

    II.1 Etude du nombre de Stokes

    Pour les écoulements a particules, on définit un nombre très important dans la description du comportement des particules, le nombre de Stokes. Ce nombre est le rapport entre le temps de relaxation de la particule et le temps caractéristique du fluide. Il est donc défini par: ou le numérateur désigne le temps de relaxation et le dénominateur le temps caractéristique de l'écoulement. Le temps de relaxation est le temps au bout duquel la vitesse de la particule est du même ordre de grandeur que la vitesse du fluide. Pour une goutte de liquide dans un gaz, on a  . Quant au temps caractéristique de l'écoulement turbulent, il est défini par   ou D et U représentent respectivement des échelles caractéristiques de longueur et de vitesse de l'écoulement
    En moyenne, les particules sont complètement influencées par écoulement extérieur, (donc suivent parfaitement bien la trajectoire imposée par l'air) pour des diamètres inférieurs a 15 microns. Ceci correspond à des nombres de Stokes inférieurs a 1,1.10-1.
    De même, les particules ne sont pratiquement plus influencées par écoulement extérieur des que leur diamètre dépasse 50 microns, ce qui correspond à un nombre de Stokes de 1,2.
    La théorie est donc respectée: en effet, une particule telle que St<<1 la particule s'adapte de manière quasi instantanée aux modifications de vitesse du fluide. Pour St>>1, le mouvement des particules n'est que très peu affecte par la structure turbulente rencontrée.

Remarque: il existe une zone comprise entre 0,1 et 10 ou la théorie ne permet de décrire le comportement de la particule. Cette zone d'incertitude a été, dans le cas considère, réduite à l'intervalle [0,11 ;  1,2]
 
 
III. Seconde simulation:
Particules a diamètres variables

    Au cours de la simulation précédente, le phénomène de vaporisation n'était pas pris en compte. A l'aide du pre-processing prePDF de fluent, il est possible de définir des models qui tiennent compte de la vaporisation.
     Voici quelques résultats obtenus:
 

D = 30.10-6 m
Evolution du diamètre

D = 30.10-6 m
Temps de résidence de la particule

    Il est alors possible d'évaluer les effets de la vaporisation sur la trajectoire de la particule en comparant un cas de la première simulation avec la seconde.
 

D = 30.10-6 m
Sans vaporisation

D = 30.10-6 m
Avec vaporisation

D = 34.10-6 m
Sans vaporisation

D = 37.10-6 m
Avec vaporisation

    Comme nous pouvons le constater, la vaporisation a une importance capitale sur le comportement de la goutte. En effet, la goutte injectée avec une incidence nulle, ne touche la surface du piston pour un diamètre de 39 microns lorsque l'on tient compte de la vaporisation, et 34 microns lorsque l'on en tient pas compte.

Retour au début

butt.jpg (2706 octets)