contribution à l'étude de la formation des sprays -

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  • UNIVERSITDE BOURGOGNE

    cole Doctorale des Sciences pour lIngnieur et Microtechniques

    Dpartement de Recherche en Ingnierie des Vhicules pour lEnvironnement

    THSE DE DOCTORAT

    prsente par : Fabien DOS SANTOS

    soutenue le : 10 Dcembre 2012

    pour obtenir le grade de : Docteur de lUniversit de Bourgogne

    Discipline : Mcanique et nergtique

    CONTRIBUTION LTUDE DE LAFORMATION DES SPRAYS

    THSE dirige par

    Pr. LE MOYNE Luis ISAT - Universit de Bourgogne

    PRSIDENT du jury

    Pr. BAILLY Yannick Universit de Franche-Comt

    RAPPORTEURSDr. FOUCHER Fabrice Universit dOrlansPr. MARGOT Xandra Universit polytechnique de Valence (Espagne)

    EXAMINATEUR

    M. DA SILVA Rui Danielson Engineering

  • mes grands-parents mes parents

    mon frre et ma soeur ma femme

    nos futurs enfants

  • Remerciements

    Je tiens dabord remercier mon directeur de thse, le professeur Luis Le Moyne, qui

    ma offert lopportunit deffectuer cette thse et qui ma ainsi fait dcouvrir le monde de

    lenseignement et de la recherche. Il a toujours cru en moi durant ma thse, peut-tre mme

    plus que moi-mme certains moments. Je ne regrette pas une seule seconde de mettre

    lanc dans cette aventure.

    Je remercie aussi lquipe du Politecnico di Milano et de lentreprise Danielson Engi-

    neering pour mavoir accueillis chacun leur tour dans leurs tablissements.

    Je remercie aussi mes deux rapporteurs : Dr. Fabrice Foucher et Pr. Xandra Margot,

    qui mont donn de prcieux conseils pour corriger ce mmoire et russir ma soutenance

    de thse. Tout comme Dr. Alan Kromns, qui ma beaucoup aid dans la dernire ligne

    droite, en maintenant la pression comme il sait trs bien le faire, mais aussi et surtout en

    prenant sur son temps pour maiguiller et corriger mes travaux.

    Je noublie pas mes autres ami-e-s doctorant-e-s : Juliette, Raffaele, Batman, Rostand,

    Clment, etc avec qui nous avons pu changer nos dboires mutuels mais aussi quelques

    bires ensemble en compagnies dmilie, Perrine, Pablo, Zainol, JB etc. Il en va de mme

    pour tous les autres de lISAT : Sylvain, Franois, Tonino, Aurlie, Pascal, Matthieu, Bi-

    rame, etc qui mont bien aid dans des missions les plus diverses !

    Ces trois anne ma aussi permis de rencontrer ma femme, Lingling, qui ntait autre

    que ma "voisine" de bureau. Nous nous sommes mari dans notre troisime anne de thse

    et sommes trs heureux ensemble.

    3

  • Rsum

    La comprhension de la formation dun spray est une tape importante pour le contrle

    de la combustion et des missions de polluants des moteurs combustion interne. En effet,

    pour linstant quelques zones dombres subsistent autour de ltablissement de lcoule-

    ment intra-injecteur, lapparition de cavitation, son influence sur latomisation ou encore

    leffet du mouvement de laiguille sur tout cela. Une bonne connaissance de ces paramtres

    permettrait de concevoir des injecteurs ayant un design permettant une meilleure atomisa-

    tion, favorisant la combustion et minimisant les rejets de polluants. Cela peut passer entre

    autres par un parfait contrle de la cavitation qui a tendance amliorer latomisation

    dans certaines conditions, qui restent dfinir.

    Le travail effectu dans cette thse a pour but de fournir et valider des outils per-

    mettant dtudier et de comprendre les phnomnes mis en jeu lors de linjection dun

    carburant, principalement ax sur lcoulement intra-injecteur. Ces outils sont numriques

    et permettent de simuler la formation dun spray. Cette thse est compose de trois parties,

    abordant chacune une thmatique diffrente.

    La premire partie est axe sur la modlisation zro-dimensionnelle. Un tat de lart des

    modles de spray est effectu afin de regrouper tous les modles permettant de prdire les

    caractristiques de spray suivantes : langle de spray, la pntration de spray, la longueur

    du corps liquide et le diamtre moyen de Sauter. Ces modles sont ensuite compars des

    donnes exprimentales, permettant dtudier les avantages et les inconvnients de chaque

    modle. Les conclusions sont que la modlisation zro-dimensionnelle permet dobtenir

    de bons rsultats, dans certains cas, et cela trs rapidement. Par contre une meilleure

    connaissance de linfluence de la cavitation sur le spray, qui passe par la comprhension de

    lcoulement intra-injecteur, pourrait tre bnfique pour la prdiction de ces modles.

    5

  • REMERCIEMENTS

    Une seconde tude est alors mene afin de choisir un modle de cavitation multidi-

    mensionnel, ce qui permettra de mieux comprendre ltablissement de lcoulement intra-

    injecteur avec lapparition de la cavitation. Le modle choisi est un modle quation

    barotrope. Une validation de celui-ci est alors effectue de faon vrifier quil est capable

    de prdire lcoulement dans un injecteur. Des donnes exprimentales ont permis de va-

    lider le modle sur lapparition de la cavitation en fonction de la diffrence de pression

    applique linjecteur, mais aussi sur linfluence de la gomtrie de linjecteur sur cette

    apparition. Le modle offre de bons rsultats et peut tre utilis pour ltude suivante.

    Enfin, dans la troisime partie, le modle de cavitation qui a t valid est utilis. Une

    gomtrie dinjecteur mono-trou est utilise avec des pressions comparables celles utili-

    ses dans les moteurs combustion interne injection directe. Ltude consiste tudier

    linfluence de plusieurs paramtres gomtriques sur lapparition de la cavitation. Ces pa-

    ramtres sont le diamtre du trou, la longueur de celui-ci, le rayon du cong lentre du

    trou et la contraction (conicit) du trou. Le seul paramtre nayant aucune influence sur

    le dbit est la longueur du trou, alors quen jouant sur les trois autres paramtres il est

    possible de passer dun coulement cavitant un coulement dpourvu de toute cavita-

    tion, dans certains cas. Le mouvement de laiguille est aussi tudi et est compar, aprs

    avoir offert au code la possibilit de maillage mobile, des rsultats in-stationnaires pour

    plusieurs leves daiguille. Cet outil permet donc de modliser compltement lcoulement

    intra-injecteur, ce qui ouvre la porte la comprhension de la formation des sprays.

    Mots cls : Modlisation 0D, modlisation 3D, cavitation, intra-injecteur, maillage-

    mobile

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  • REMERCIEMENTS

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  • Abstract

    Understanding of the formation of a spray is an important step in controlling combustion

    and polluant emissions of internal combustion engines. For the moment, the establishment

    of the flow inside the injector, the effect of the needle movement, the onset of cavitation

    and its influence on the atomization are still misunderstood. A good knowledge of these

    parameters makes easier the design of new injectors which will give a better atomization,

    improving combustion and minimazing polluant emissions. This can be achieved by a per-

    fect control of cavitation, which tends to improve atomization under some conditions, which

    remain to be defined.

    The work of this thesis aims to provide and validate tools useful to study and understand

    the phenomena involved in the injection of fuel, mainly focused on intra-flow injector. These

    tools are numeric and simulate the formation of a spray. This thesis consists of three parts,

    each focused on a different topic.

    The first part focuses on zero-dimensional modelling. A state of the art of the sprays

    models is made to find all the models which predict these following characteristics of spray :

    the spray angle, the spray penetration, the liquid length and Sauter mean diameter. These

    models are then compared with experimental data to study pros and cons of each model.

    The conclusions are that zero-dimensional modelling provides good results very quickly

    in some cases. Although, a better understanding of the influence of cavitation on the

    spray, which requires an understanding of the intra-flow injector, could be beneficial for

    the prediction of these models.

    A second study is carried out to select a model of multi-dimensional cavitation. The

    chosen model is a barotropic equation model. A validation of this model is then performed

    9

  • REMERCIEMENTS

    to ensure that it is able to predict the cavitating flow inside a nozzle. The experimental data

    allow studying the onset of cavitation based on the drop pressure applied to the injector,

    but also on the injector geometry. This model provides good results and can be used for

    the next step.

    Finally, in the third part, the cavitation model previously validated is used. Single-hole

    nozzle geometry is used with an injection pressure comparable to that used in internal

    combustion engines with direct injection system. The study is done to investigate the

    influence of several geometrical parameters on the onset of cavitation. These parameters

    are the hole diameter, the hole length, the radius of the edge at the entrance of the hole

    and the hole contraction (taper). There is only one parameter which has no influence on

    the flow, it is the length of the hole. With the three other parameters, it is possible to move

    from a significant cavitation flow to a flow without cavitation. The movement of the needle

    is also studied and compared, after offering to the code the possibility of moving mesh, to

    the results of several stationary needle lifts. This tool makes it possible to fully model the

    intra-flow injector, which opens the door to the understanding of the spray formation.

    Key