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

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.

Date	17 janv. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice)) & François Garnier (Codirecteur(-trice))