Caractérisation des effets statique et dynamique de l'aiguille sur l'écoulement interne d'un injecteur diesel avec une approche LES

Chouak, Mohamed (2018). Caractérisation des effets statique et dynamique de l'aiguille sur l'écoulement interne d'un injecteur diesel avec une approche LES. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’implémentation des stratégies d’injections multiples dans les moteurs à combustion interne de nouvelle génération permet de réduire les émissions polluantes. Or, dans ce contexte, les caractéristiques de l’écoulement interne dans l’injecteur sont fortement transitoires et nécessitent d’être analysées. Plusieurs études ont rapporté l’influence de l’écoulement dans le sac sur les caractéristiques en sortie de l’injecteur, cependant, le sac reste peu caractérisé comme les études se sont plus intéressées à l’apparition de la cavitation et à l’écoulement dans la buse. Pour cela, cette thèse avait pour objectif de caractériser qualitativement et quantitativement les effets statique et dynamique de l’aiguille sur l’écoulement interne dans le sac de l’injecteur Diesel mono-trou, et cela à l’aide d’un modèle de simulation des grandes échelles (LES) permettant une meilleure compréhension de la dynamique de cet écoulement complexe.

Le modèle élaboré prend en compte le déplacement axial de l’aiguille pour simuler l’écoulement monophasique incompressible du carburant interne de l’injecteur à une différence de pression constante. D’une part, la résolution de la turbulence cisaillée en procheparoi a été validée par les résultats de la simulation numérique directe (DNS) dans le cas canonique de l’écoulement pleinement développé dans un canal, et d’autre part, la resolution des grandes échelles (loin de la paroi) a aussi été vérifiée dans le sac de l’injecteur à l’aide d’un spectre spatial d’énergie. Ce modèle a été ensuite utilisé pour réaliser des simulations à levees d’aiguille fixes (modèle statique), et puis avec mouvement transitoire de l’aiguille sur un cycle et demi d’injection « ouverture-fermeture-ouverture » (modèle dynamique).

Qualitativement, l’écoulement dans le sac possède une structure générique composée d’un jet de carburant qui traverse deux zones dynamiques. Si la vorticité est majoritairement produite dans la zone du siège de l’aiguille, les instabilités dans la couche de cisaillement du jet à l’entrée du sac constituent le principal mécanisme de production de structures cohérentes dans le sac. Les caractéristiques du jet de carburant dans le sac et les instabilités associées sont directement influencées par la position axiale de l’aiguille. Avec l’ouverture de l’aiguille, le jet gagne en épaisseur, mais son énergie cinétique diminue, ce qui réduit le cisaillement à la surface du jet, le niveau d’instabilité dans la couche de cisaillement et en conséquence réduit la turbulence dans le sac. Quantitativement, l’application de la méthode de décomposition en modes propres orthogonaux (POD) aux résultats 3D LES du modèle statique a montré que l’énergie cinétique turbulente est réduite de 45 % à ~10 % uniquement entre la faible (6 %) et la haute levée d’aiguille (31 %). L’énergie cinétique de l’écoulement moyen reste principalement concentrée dans le jet (mode 0), tandis que les modes supérieurs des fluctuations (modes 1 à 3) décomposent la grande zone dynamique située à la périphérie du jet. Un transfert d’énergie entre les modes POD a été observé en fonction de la position axiale de l’aiguille. De plus, la reconstitution de l’écoulement avec un modèle d’ordre réduit a montré que l’instationnarité grande-échelle dans le sac se traduit par une oscillation du jet (mode 0) à basse fréquence (~1 kHz) dont l’intensité décroit avec l’ouverture de l’aiguille.

Le mouvement transitoire de l’aiguille produit deux effets dynamiques sur l’écoulement dans le sac qui ne peuvent pas être capturés avec un modèle statique : 1) un effet d’hystérésis sur les caractéristiques globales de l’écoulement dans le sac avec une différence de débit de 20% entre les phases d’ouverture/fermeture; 2) le décollement du jet à partir de la phase de fermeture du premier cycle d’injection. De plus, la comparaison entre les modèles statique et dynamique a montré que les deux modèles sont sensiblement comparables à hautes levees d’aiguille (au-delà de 14 % environ) du premier cycle d’injection. Toutefois, le modèle dynamique semble mieux illustrer le décollement du jet ainsi que l’instationnarité des grandes échelles due aux instabilités observées dans sa couche de cisaillement, en particulier à faibles levées d’aiguille. L’analyse de ces effets dynamiques avec l’approche LES sur un cycle et demi d’injection transitoire (ouverture-fermeture-ouverture) a ainsi permis de mieux comprendre l’influence du mouvement de l’aiguille sur la dynamique des grandes structures tourbillonnaires dans le volume du sac.

Titre traduit

Numerical characterization of static and dynamic effects of the needle on the internal flow of a diesel fuel injector

Résumé traduit

Reduction of pollutant emissions is achieved in modern internal combustion engines with multiple injection strategies. However, internal flow characteristics of the injector become highly transient in this context and therefore need to be investigated. The sac-flow dynamics has been reported to influence the nozzle-flow characteristics, however, only few studies have characterized the sac-volume as the in-nozzle flow and cavitation have been the main subjects covered in the literature so far. Thus, this thesis objective was to perform a numerical characterization of needle’s displacement effects on the sac-volume internal flow of a single-hole Diesel fuel injector. Large Eddy Simulation (LES) approach was adopted to gain a better insight into the dynamics of this complex flow.

The elaborated model reproduces the monophasic incompressible flow inside the fuel injector at a constant pressure difference with the effect of the axial needle’s displacement. On the one hand, the resolution of near-wall turbulence has been validated with Direct Numerical Simulation (DNS) results in the canonical case of fully developed channel flow. On the other hand, the resolution of large turbulent scales within the sac-volume (far from the wall) has also been verified using an energy spectrum. This model was used to simulate the injector internal flow at partial fixed needle lifts (static model) first, then with needle movement for an injection cycle simulation « opening-closing-opening » (dynamic model).

Qualitatively, the sac-volume flow exhibits a generic structure composed of a high-speed fuel jet that separates two dynamic regions. While the vorticity is mainly produced in the needle seat region, the turbulent structures in the sac volume are generated by the instabilities at the jet shear layer. The jet characteristics and the associated instabilities are directly influenced by the needle position. With needle opening, the jet gains in thickness but its kinetic energy decreases and, consequently, shearing at the jet interface and turbulence are reduced in the sac volume too. Quantitatively, the application of Proper Orthogonal Decomposition method (POD) to the LES results of the static model showed that the relative contribution of turbulent kinetic energy (to the total energy) decreases with the needle lift from 55 % to ~10 % only between the lower (6 %) and the higher lift (31 %). The mean kinetic energy is primarily concentrated in the jet fuel (mode 0), while the higher POD modes (1 to 3) decompose the big dynamic region at the jet periphery. A transfer of energy between POD modes was observed depending on the needle lift position. Furthermore, a flow dynamics reconstitution with a reduced-order model has shown that the largest scale of unsteadiness is responsible for a fuel jet oscillation at low frequency (~1 kHz). The intensity of this oscillation was found to decrease with increased needle lift.

The transient movement of the needle causes a hysteresis effect which is responsible for the fuel jet detachment from the needle wall in the closing phase, unlike the opening phase and the static model as well. The comparison between static and dynamic models showed similar performance at high needle lifts (beyond 14 %), while the needle movement at low lifts has significant effects on the sac-flow characteristics. Assessment of these effects within the LES framework allowed a better understanding of the needle movement influence onto the dynamics of large coherent structures within the sac-volume.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 141-148).
Mots-clés libres:	injecteur Diesel, écoulement interne, levée d’aiguille, cycle d’injection, mouvement de l’aiguille, maillage mobile, simulation des grandes échelles, décomposition en modes propres orthogonaux, structures cohérentes, effet transitoire de l’aiguille, effet statique de l’aiguille, validation LES
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Codirecteur:	Codirecteur Dufresne, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 juin 2019 19:44
Dernière modification:	10 juin 2019 19:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2316

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