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Formation du mélange par des stratégies d'injection simple et double en milieu non-évaporatif avec une approche LES

Brulatout, Jonathan (2017). Formation du mélange par des stratégies d'injection simple et double en milieu non-évaporatif avec une approche LES. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les stratégies d’injection multiple sont capables de réduire les émissions polluantes des moteurs à combustion interne. Cependant, la dynamique de l’écoulement lié à cette pratique est encore mal connue. Pour cela, l’objectif de cette thèse était d’approfondir la compréhension de l’interaction entre le jet de carburant et l’air environnant en étudiant numériquement le comportement de jets de carburant diesels générés par des stratégies d’injections simple et double.

Les prédictions numériques des jets de carburant dépendent majoritairement du modèle utilisé pour représenter la fragmentation des gouttes, et particulièrement de sa calibration. La première partie de cette thèse a consisté à déterminer, avec une approche numérique moyennée (URANS), la calibration optimale pour deux des modèles de fragmentation les plus utilisés : le modèle de Reitz & Diwakar et le modèle KHRT. Ces calibrations ont été obtenues via la proposition d’une nouvelle méthode basée sur un plan d’expérience, ce qui a permis de réduire le nombre de simulations nécessaires pour l’obtention de la calibration optimale. De plus, cette méthode a permis de mettre en évidence l’influence relative des constantes ainsi que le couplage qui existe entre elles. Finalement, les prédictions obtenues avec les calibrations optimales ont montré que le modèle KHRT offre un comportement plus réaliste avec la calibration de seulement deux constantes. La restriction du nombre de constantes a aussi permis, suite à une étude analytique du modèle, de déduire la calibration du modèle pour des pressions d’injection plus élevées avec peu des simulations supplémentaires.

Compte tenu de la nécessité de plus de détails sur le comportement de la phase eulérienne, une méthode de résolution des grandes échelles (LES) a été ensuite choisie. Cette méthode étant fortement dépendante de la configuration numérique utilisée, une méthode de validation reposant sur la similarité entre le jet de carburant et le jet d’air turbulent a été proposée. Dans un premier temps, un jet d’air turbulent ayant des conditions extraites de l’entraînement d’air induit par un jet de carburant a été simulé. Ce jet a été comparé avec succès à des résultats expérimentaux à la fois de jet d’air et de jet de carburant. Par la suite, la même configuration numérique a été appliquée à un jet de carburant et a permis de bonnes prédictions des caractéristiques des phases lagrangienne et eulérienne, particulièrement des profils de vitesses axiaux et radiaux.

La configuration numérique étudiée pour les simulations des grandes échelles a été appliquée à la simulation d’une injection simple à haute pression ainsi qu’une injection double à la même pression. Ceci a permis l’étude du processus de mélange entre le carburant et la phase eulérienne grâce à l’emploi de critères 3D et 2D. Du point de vue 3D, la phase lagrangienne a été analysée en parallèle avec le critère Q appliqué à la phase eulérienne. Par la suite, l’étude 2D a consisté au visionnement des lignes de courant de la phase eulérienne avec la distribution de la fraction de carburant dans le plan médian du jet de carburant. Ces visualisations ont mis en évidence la création d’une structure annulaire de recirculation par l’impulsion du jet produite du début de l’injection, ainsi que de structures hélicoïdale durant le reste de l’injection. De plus, la représentation 2D a aussi montré l’influence des structures de la phase eulérienne sur la diffusion du carburant, qui est directement liée au processus de mélange.

Titre traduit

Numerical study of non-evaporative high pressure multiple injection diesel fuel spray

Résumé traduit

Multiple injection strategies are able to reduce the pollutant emissions of internal combustion engines. However, the flow dynamic associated with this practice is still misunderstood. Thus, this thesis’s objective was to improve the understanding of the interaction between the fuel spray and the ambient environment by numerically studying the behavior of multiple injection diesel fuel spray.

Fuel spray numerical predictions greatly depend on the model used to represent droplet fragmentation, particularly its calibration. The first part of this thesis consisted in determining, with a Reynolds averaged approach, the optimum calibration for two of the most used fragmentation models : the Reitz & Diwakar and KHRT models. Those calibrations were obtained by proposing a new methodology based on a design of experiment method which allowed reducing the number of simulations. Thus, this method allowed highlighting the relative influence of each constant as well as the coupling between the constants’ effects. Finally, the prédictions obtained with the optimum calibrations showed that the KHRT model provides a more realistic behavior with only calibrating two constants. The restriction of the number of constants also allowed, after an analytical study of the model, to successfully predict the model’s calibration for higher injection pressures with little additional simulations.

Given the need to higher details on the Eulerian phase to fulfill the objective, a large eddy simulation method was then chosen. This method being highly influenced by the numerical configuration used, a validation method based on the similarity between a turbulent round jet and a fuel spray was proposed. First, a turbulent round jet with initial conditions extracted from the air entrainment induced by a fuel spray was simulated. This jet was successfully compared with turbulent round jet and fuel spray experimental results. Then, the same numerical configuration was applied to a fuel spray and allowed good predictions of both the Lagrangian and Eulerian phases, particularly of the axial and radial velocity profiles.

The validated large eddy simulation numerical configuration was applied to simulate a high pressure simple injection but also a double injection at the same pressure. Those simulations allowed studying the mixing process between the fuel and the Eulerian phase by using 3D and 2D criteria. From the 3D point of view, the Lagrangian phase was analyzed in parallel with the Q criteria applied to the Eulerian phase. Then, the 2D study consisted in visualizing the streamlines of the Eulerian phase with the fuel fraction distribution on the fuel spray midplane. Those visualizations highlighted the creation of an annular recirculation structure by the impulsion given at the injection start, and also the creation of helices-like structures around the jet axis during the rest of the injection. Moreover, the 2D representation also showed the influence of the coherent structures of the Eulerian phase on the fuel diffusion, which is closely related to the mixing process.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie Ph. D." Bibliographie : pages 183-196.
Mots-clés libres: Automobiles Moteurs Injection du carburant. Automobiles Moteurs Injection du carburant Modèles mathématiques. Jets Dynamique des fluides. Carburants diesel. Jets d'air. double, échelle, grande, LES, résolution, simple, simulation, injection double, modèle de fragmentation, validation de modèle, structure cohérente, formation du mélange
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Garnier, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 avr. 2017 20:54
Dernière modification: 04 avr. 2017 20:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1857

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