Mécanismes de fragmentation des jets

Mécanismes de fragmentation des jets

REVUE DE LA LITTÉRATURE

Avant propos L’efficacité de combustion ainsi que la performance des moteurs utilisant du carburant liquide dépendent grandement du processus de formation du mélange air-carburant. C’est pour cette raison que, depuis plusieurs décennies, la recherche porte sur la compréhension des mécanismes qui régissent la pénétration du jet. Ce chapitre est divisé en plusieurs sujets. D’abord, les différents mécanismes de fragmentation de jet seront discutés afin de permettre au lecteur une meilleure compréhension du sujet traité dans ce mémoire. Ensuite, l’influence de la pression ambiante, de la pression d’injection et des propriétés physiques des carburants sur les jets sera revue afin de mieux situer les travaux du présent mémoire. Finalement, un sommaire du chapitre sera effectué et les objectifs de ce mémoire, en lien avec la littérature existante, seront définis. 1.2 Mécanismes de fragmentation des jets Les mécanismes gouvernant la fragmentation d’un jet de carburant en fines gouttelettes sont complexes et difficiles à bien maîtriser. Selon Arcoumanis et al. (1997), la fragmentation initiale d’un jet peut être causée par une combinaison de trois principaux mécanismes, soit la turbulence présente dans la phase liquide du jet, les bulles de cavitation qui implosent dans le jet ou l’interaction liquide/gaz à la surface du jet et des gouttelettes. Stiesch (2003) explique que l’accélération du jet dans l’orifice de l’injecteur a comme conséquence de faire chuter la pression. Il est ainsi possible que la pression diminue en deçà de la pression de vapeur du carburant ce qui a comme conséquence de produire des bulles de cavitation. Une fois sorties de l’orifice, ces bulles implosent et contribuent à la fragmentation initiale du jet. De plus, la vitesse relative du jet étant élevée, les forces aérodynamiques présentes agissent sur les 4 surfaces liquides et provoquent des instabilités qui croissent et contribuent à la fragmentation du jet. Il est courant de caractériser la fragmentation à l’aide du nombre de Weber qui permet de classifier les différents types de rupture de jet. Ce nombre quantifie l’importance relative des forces aérodynamiques par rapport à la tension de surface du liquide. Sa formulation est présentée à l’équation À l’équation 1.1, ρamb est la masse volumique du milieu ambiant, U la vitesse du jet, L représente la longueur caractéristique (diamètre d’une gouttelette par exemple) et σcarb, la tension de surface du liquide. Ainsi, plus le nombre de Weber est élevé, plus le mécanisme de rupture tendra à être sévère. Afin de différencier ces mécanismes, on associe à diverses plages de We, un mécanisme différent de fragmentation. De plus, il existe plusieurs modèles numériques utilisés en CFD (Computational Fluid Dynamics) qui reposent sur We pour déterminer le mécanisme responsable de la fragmentation. Pour en nommer que quelquesunes, il y a le modèle RD (Reitz Diwakar) proposé par Reitz et Diwakar (1986), le modèle TAB (Taylor analogy breakup) proposé par O’Rourke et Amsden (1987), le modèle KH (Kelvin Helmholtz) proposé par Reitz (1987), le modèle RT (Rayleigh Taylor) proposé par Taylor (1963), etc. Tous ces modèles utilisent des critères afin de déterminer, par exemple, le diamètre maximal d’une gouttelette pour qu’elle demeure stable selon certains types d’instabilités. Cependant, cette facette des jets ne sera pas discutée dans ce travail, mais elle était fournie à titre d’information générale. 1.3 Paramètres influençant les jets de carburant Dans cette section, les principaux paramètres influençant les jets de carburants sont présentés et ils sont divisés en trois catégories. D’abord, il sera question de l’influence du milieu ambiant, principalement la pression et la température. Par la suite, la pression d’injection et son influence sur les jets seront traitées. Finalement, l’importance des propriétés physiques sera discutée. 5 1.3.1 Milieu ambiant Lorsqu’il est question de chambre à injection à volume constant, le milieu ambiant est caractérisé par deux paramètres : la pression et la température. De plus, la masse volumique est directement liée à ces deux variables. Ainsi, le lien entre ces trois paramètres est la loi des gaz parfaits qui est couramment présentée dans différents livres et ouvrages tels que Çengel et Boles (2002). Sa formulation est présentée à l’équation 1.2. À l’équation 1.2, la variable P est la pression ambiante, R la constante des gaz (dans le cas de l’air sa valeur est de 287 J/Kg•K) et T la température ambiante. La pression ambiante est un paramètre très important en ce qui a trait à la pénétration du jet. En effet, selon Roisman et al. (2007), une plus forte pression ambiante a comme conséquence d’augmenter la traînée aérodynamique, ce qui freine davantage le front du jet. Pour une pression d’injection constante, la traînée réduira, de façon globale, la pénétration du jet. De plus, ils présentent les résultats expérimentaux qu’ils ont obtenus à l’aide d’une technique d’imagerie haute vitesse et leurs résultats viennent appuyer ces propos. En effet, ses résultats démontrent clairement un changement significatif des courbes de pénétration qui illustrent que le jet pénètre moins loin lorsque la pression ambiante est plus élevée. De façon plus fondamentale, la pression ambiante affecte aussi le comportement individuel des gouttelettes qui se trouvent à même le jet. En effet, Jasuja et Lefebvre (1994) ont montré qu’une augmentation de la pression ambiante pouvait accroître le SMD d’un jet. Cependant, la taille moyenne des gouttelettes est aussi liée à l’intensité des mécanismes de fragmentation, qui eux sont caractérisés par le nombre de Weber. Il est globalement accepté que plus le nombre de Weber est élevé, plus le SMD est petit (Ragland et Borman (1998), Stiesch (2003)). Il semble donc que la pression ambiante influence la taille des gouttelettes de plusieurs façons. Le résultat final dépend donc du milieu ambiant, mais aussi des propriétés physiques des carburants. De plus, la pression ambiante a aussi une influence sur l’évaporation des gouttelettes dans un jet de carburants. 6 Kim et Sung (2003) montrent, à l’aide de leurs résultats expérimentaux, qu’à basse température ambiante (300K, similaire aux températures d’essais de ce travail) la durée de vie d’une gouttelette augmente avec un accroissement de la pression. Ceci s’explique par le fait qu’une pression ambiante élevée affecte l’équilibre des phases en présence à la surface d’une gouttelette et ainsi, ralentit son évaporation. Vanderwege et Hochgreb (1998) ont discuté de l’effet de la température sur la structure du jet. Leurs résultats montrent que la température ambiante à un impact significatif sur la structure interne du jet, tel que la distribution radiale de carburant ainsi que l’apparition de phénomène d’ébullition éclaire qui se répercute sur la fragmentation des gouttelettes. Cet impact est plus prononcé avec des carburants volatiles. Ceci suggère donc que la température peut aussi influencer les courbes de pénétration. Les auteurs utilisent l’iso-octane pour illustrer comment la température ambiante influence les propriétés physiques du carburant qui, à leur tour, influencent les caractéristiques du jet. À l’aide de corrélations proposées par Lefebvre (1995), ils démontrent qu’une augmentation de la température ambiante de 60K (303K à 363K) peut entraîner une réduction du SMD de 20%, ce qui a nécessairement un impact sur la dynamique des gouttelettes. Ainsi, la littérature montre que les conditions ambiantes affectent les jets à plusieurs niveaux. À basse température, une augmentation de la pression ambiante a comme conséquence un nombre de Weber (We) plus élevé (de par une élévation de la masse volumique), ce qui atomise plus finement le jet et réduit la pénétration. À pression constante, une élévation de la température ambiante a comme conséquence une réduction du nombre de Weber (en raison d’une baisse de la masse volumique) ce qui aide la pénétration. Cependant, le transfert de chaleur est plus important ce qui favorise l’évaporation et réduit la pénétration. Ainsi, dans certaines situations, différents mécanismes peuvent agir à contre sens. L’effet global du milieu ambiant dépend donc de quels mécanismes sont prédominant, mais aussi des autres éléments qui gouvernent l’évaporation telle que les propriétés physiques du carburant.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Avant propos
1.2 Mécanismes de fragmentation des jets
1.3 Paramètres influençant les jets de carburant
1.3.1 Milieu ambiant
1.3.2 Pression d’injection
1.3.3 Propriétés physiques des carburants
1.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 2 ACQUISITION ET TRAITEMENT DES DONNÉES
2.1 Introduction
2.2 Montage expérimental
2.3 Carburants
2.4 Matrice des expériences réalisées
2.5 Post traitement des données
2.6 Caractérisation des sources d’erreur
2.6.1 Répétabilité de l’injecteur
2.6.2 Précision des instruments de mesure
2.6.3 Précision du système d’acquisition
2.7 Sommaire du chapitre
CHAPITRE 3 ANALYSE DES DONNÉES EXPÉRIMENTALES
3.1 Introduction
3.2 Influence des propriétés physiques des carburants
3.3 Influence de la pression d’injection du carburant
3.4 Influence de la pression environnante
3.5 Influence de la température environnante
3.6 Influence de la durée d’injection
3.7 Impact sur l’angle de cône
3.8 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 DÉVELOPPEMENT DU MODÈLE EMPIRIQUE
4.1 Introduction
4.2 Définition des paramètres critiques du ME
4.3 Construction des corrélations
4.3.1 Régime linéaire
4.3.2 Régime décroissant
4.3.3 Élaboration d’une corrélation pour les constantes d’amplitude
4.4 Transition entre les régimes linéaire et décroissant
4.5 Intégration de la température ambiante
4.6 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 VALIDATION DU MODÈLE EMPIRIQUE
5.1 Introduction
5.2 Méthodes de validation
5.2.1 Validation statistique
5.2.2 Validation avec de nouvelles données expérimentales
5.3 Quantification des sources d’erreur
5.4 Récapitulatif du modèle empirique
5.5 Conclusion du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I SPÉCIFICATION TECHNIQUE DE L’INJECTEUR
ANNEXE II SPÉCIFICATION TECHNIQUE DU THERMOCOUPLE
ANNEXE III SPÉCIFICATION TECHNIQUE DU CAPTEUR DE
PRESSION
ANNEXE IV CODE MATLAB POUR ÉVAPORATION DE
GOUTTELETTES
ANNEXE V ÉTUDE DE CONVERGENCE DU CODE MATLAB
D’ÉVAPORATION DE GOUTTLETTES
ANNEXE VI CODE MATLAB POUR CALCUL DES EXPOSANTS DE LA
CORRÉLATION
ANNEXE VII CODE MATLAB COURBES DE PÉNÉTRATION
ANNEXE VIII PROCÉDURE D’UTILISATION DU CRITÈRE DE PEIRCE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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