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

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.

Date	1 juin 2018
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice)) & Louis Dufresne (Codirecteur(-trice))