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Caractérisation des structures complexes de l'écoulement interne d'un injecteur diesel à levée d'aiguille fixe, utilisant un modèle numérique RANS

Pelletingeas, Alexandre (2014). Caractérisation des structures complexes de l'écoulement interne d'un injecteur diesel à levée d'aiguille fixe, utilisant un modèle numérique RANS. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La principale motivation de ce mémoire est d’améliorer notre compréhension de l’influence du déplacement de l’aiguille sur l’écoulement d’un injecteur diesel mono-trou. Pour y parvenir, un modèle numérique RANS a été développé. Ce modèle est capable de reproduire la physique de l’écoulement qui se produit dans un injecteur diesel soumis à un gradient de pression que l’on retrouve en condition réelle d’injection. De plus, ce modèle est aussi capable de s’adapter à plusieurs levées d’aiguille afin d’étudier l’impact de ce paramètre sur l’écoulement. Ainsi, il a été montré que pour une pression d’injection constante, les coefficients d’écoulements convergent très rapidement lorsque l’on augmente la levée d’aiguille. Cela signifie que même pour des levées d’aiguilles intermédiaires, le débit de carburant injecté est le même qu’à pleine ouverture. L’étude a également montré que la zone où l’écoulement est le plus influencé par la position de l’aiguille est le volume de sac, en amont de la buse. Il a ainsi été observé que le jet, créé par l’étranglement entre l’aiguille et le corps de l’injecteur, pouvait, soit être collé à la paroi de l’aiguille, soit décollé de celle-ci. Créant ainsi des tourbillons de formes et d’intensités différentes dans le volume de sac. Par la suite, l’influence d’une pression d’injection oscillante sur l’écoulement a été analysée. En effet, des précédentes études expérimentales ont montré qu’en condition réelle d’injection, la pression dans l’injecteur n’est jamais constante, mais oscille autour d’une valeur moyenne. Le but de la présente étude est donc de comprendre comment cette oscillation peut modifier ou non l’écoulement, et les structures tourbillonnaires, dans le volume de sac de l’injecteur. La conclusion de l’étude est qu’en fonction de la fréquence du signal d’excitation et la levée d’aiguille, la réponse de l’écoulement n’est pas la même. Dans certains cas, on observe que le jet, dans le volume de sac, qui initialement était décollé de la paroi de l’aiguille, vient se recoller sur celle-ci. L’écoulement dans cette zone de l’injecteur est alors réorganisé. Afin de mieux étudier ces phénomènes, une décomposition en modes propres orthogonaux (POD) a été utilisée sur le champ de vitesse dans le volume de sac de l’injecteur. Ce type d’approche n’a jamais été, à notre connaissance, utilisée pour étudier l’écoulement dans les injecteurs diesel. Cette décomposition permet d’identifier les structures cohérentes dans l’écoulement et de mieux comprendre comment l’énergie se répartit entre chaque mode de la décomposition.

Résumé traduit

This dissertation aims to improve our understanding of the needle lift influence on the internal flow of single-hole diesel injector. To achieve it, a numerical RANS model was developed. This model is able to predict the dynamic which occurs in diesel injector subjected to realistic injection pressure. Moreover, this model can be adapted for several needle lifts in order to study the influence of this setting. Thus, for a steady injection pressure, it has been concluded that flow coefficients reach a steady value very quickly whatever the needle position. It means that the injected fuel mass rate is the same between a fully opened lift and several intermediate lifts. This study has also identified that the sac volume, upstream the nozzle, is the most complex area for the flow dynamic. Indeed, it was observed that the throttling between the needle and the injector body was responsible of the formation of a high velocity jet which creates several vortex structures in the sac volume. Moreover, this jet can be either stuck against the needle wall or unstuck, depending on the needle position. Creating several vortices in the sac volume. Thereafter, the fluctuating injection pressure influence was studied. Indeed, many previous studies have shown that in realistic injection condition, the pressure in the diesel injector was never steady but it is fluctuating pressure which oscillates around a mean value. Thus, the purpose of the study was to analyse how this unsteady pressure can modify the internal flow behaviour and its vortex structures, in the sac volume. It was concluded that depending on the needle position and the pressure signal frequency, the dynamic response was different. In some case, the initial unstuck jet can be excited by the signal and it is going to sick back against the needle wall. Thus, the flow dynamic is reorganized in the sac volume. A proper orthogonal decomposition (POD) on the sac volume velocity field was done in order to extract coherent structures. From the best our knowledge, this approach was never used to study the flow dynamic behaviour in diesel injector.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 149-153.
Mots-clés libres: Carburants diesel Dynamique des fluides. Dynamique des fluides Modèles mathématiques. Moteurs diesel Alimentation en carburant. aiguille, diesel, écoulement, injecteur, RANS, levée d’aiguille, volume de sac, coefficients d’écoulement, pression fluctuante, structures cohérentes, POD
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Seers, Patrice
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Dufresne, Louis
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 24 oct. 2014 18:20
Dernière modification: 24 oct. 2014 18:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1360

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