Formation du mélange par injection simple en milieu évaporatif avec une approche RANS

Guillemette, Olivier (2018). Formation du mélange par injection simple en milieu évaporatif avec une approche RANS. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’injection numérique d’un jet de carburant est une technique essentielle pour simuler l’écoulement des moteurs à combustion interne. Avec ce type de simulation, il est possible de revoir la conception du moteur, ce qui peut contribuer à une réduction des emissions polluantes ou à une augmentation de la performance globale. Pour y parvenir, la modélisation du jet liquide de carburant est une étape particulièrement importante. Cependant, la plupart des codes commerciaux de CFD disponibles sur le marché sont limités dans les choix de modèles de fragmentation et il est souvent nécessaire de calibrer ces modèles. L’objectif de ce mémoire est de faciliter le processus de calibration grâce à meilleure identification des phénomènes qui affectent la calibration des modèles de fragmentation.

La calibration du modèle de fragmentation nécessite l’utilisation de résultats expérimentaux dans des conditions identiques à celles qui sont utilisées dans la simulation numérique. Cette étude utilise les résultats connus sous le nom de « Spray A » obtenus par le laboratoire de Sandia, qui injecte du dodécane dans des conditions semblables à celles retrouvées dans un moteur à combustion interne. Les simulations numériques utilisées dans cette étude utilisent une approche URANS et deux modèles de fragmentation : KHRT et SSD. La première partie de cette étude consiste en une évaluation individuelle de l’effet du choix de nombreux éléments (maillage, modèle de turbulence, constantes, etc.) sur la simulation numérique. Il a été mis en évidence que le modèle de turbulence κ-ε réalisable est supérieur aux autres modèles de turbulence pour ce type d’application. Également, il est possible de constater qu’un maillage non structuré avec un maillage assez fin (de l’ordre de 0.25mm) permet d’obtenir des résultats semblables à ceux observés avec un maillage structuré. Finalement, il a été possible de montrer l’influence individuelle de chacune des constantes de fragmentation et d’établir un intervalle de variation pour chaque constante lors de la calibration du modèle. Cet intervalle est utilisé lors de la calibration du modèle de fragmentation.

La seconde partie de cette étude consiste à comparer les modèles de fragmentation du jet numérique sur un jet calibré. Cette calibration est effectuée sur six simulations distinctes : trois maillages de tailles distinctes pour chaque modèle de fragmentation. Un plan d’expérience de type Box-Benhken à quatre ou cinq variables est utilisé pour réduire le nombre de simulations nécessaires pour calibrer le modèle KHRT, tandis que le modèle SSD utilise un plan factoriel standard à deux variables. La calibration du jet de carburant a pour objectif d’obtenir une pénétration liquide et vapeur semblable à celle observée dans les expériences en laboratoire. Le résultat de cette calibration est généralement un succès pour la pénétration liquide, mais il est possible d’observer que d’autres critères de comparaison (pénétration vapeur, angle vapeur et SMD) sont éloignés des valeurs observées en laboratoire. Lorsque les différents modèles de fragmentation sont comparés, après calibration, il est possible de constater que le modèle KHRT permet de mieux se rapprocher de la physique du jet de carburant observée en laboratoire. De plus, ce modèle offre un meilleur contrôle de la physique du jet que le modèle SSD. Le modèle KHRT est donc le modèle recommandé pour ce type d’application.

Titre traduit

Numerical study of air/fuel mixture with an evaporative injection system using the RANS method

Résumé traduit

The numerical injection of a fuel spray is an essential technique to model the flow of fuel in internal combustion engines, potentially leading to better design. It can contribute to a reduction of the pollutants or to an improvement of the engine performance with a better understanding of the combustion cycle. One of the most important elements of that kind of simulation is the simulation of the liquid phase of the fuel. Unfortunately, most of the commercial CFD software are quite limited on the fragmentation models available, and they usually require a calibration to model the spray accurately. The main objective of this document is to facilitate the calibration process with a better identification of the elements that affect the calibration of the fragmentation models on a fuel spray.

The calibration of the fragmentation model requires experimental results with the same environmental conditions that those used for the numerical simulation. This study uses the Spray A results from the Sandia laboratory. This experiment injects dodecane fuel inside a vessel with a pressure and temperature similar to the environmental conditions from an internal combustion engine. The numerical simulations used in this study use a URANS approach the simulation of the turbulence and two fragmentation models: KHRT and SSD. The first part of this study can be summarized by analyzing the individual effects of multiple elements (mesh, turbulence models, constants, etc.) on the numerical simulation. From some numerical results, the turbulence model κ-ε realizable is better suited than the other models tested for this kind of application. Other observations include the fact that fine unstructured mesh (0.25mm) performs similarly to a structured mesh of the same size. The effects of each individual constant on the spray is also studied to determine a possible range of variation for each constant. This interval is useful when calibrating the fragmentation model.

The second part of this study can be summarized by the comparison of different calibrated sprays. Six different sprays are calibrated, with three sizes of mesh for each fragmentation model. To calibrate the models, a Box-Benhken design with four or five constants is used for the KHRT model and a factorial design with two constants is used for the SSD model. The objective of the calibration is to match the liquid and vapor penetration of the experimental results. The result of the calibration is mostly successful for the liquid penetration, but the other comparative criterion (vapor penetration, vapor angle and SMD) do not match the experimental data very well. By comparing the results of the two models after calibration, it’s possible to conclude that the KHRT model allows a better match of the experimental. This model is also the one that allows the best control over the physic of the spray. The KHRT model is the recommended model for simulations of this type.

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 concentration aéropatiale". Bibliographie : pages 127-132.
Mots-clés libres:	dynamique des fluides numérique, jet de carburant, injection en milieu évaporatif, modèles de fragmentation, simulation URANS
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	20 févr. 2019 21:57
Dernière modification:	21 févr. 2019 21:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2207

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