contribution à l'étude de la formation des sprays -

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<ul><li><p>UNIVERSITDE BOURGOGNE</p><p>cole Doctorale des Sciences pour lIngnieur et Microtechniques</p><p>Dpartement de Recherche en Ingnierie des Vhicules pour lEnvironnement</p><p>THSE DE DOCTORAT</p><p>prsente par : Fabien DOS SANTOS</p><p>soutenue le : 10 Dcembre 2012</p><p>pour obtenir le grade de : Docteur de lUniversit de Bourgogne</p><p>Discipline : Mcanique et nergtique</p><p>CONTRIBUTION LTUDE DE LAFORMATION DES SPRAYS</p><p>THSE dirige par</p><p>Pr. LE MOYNE Luis ISAT - Universit de Bourgogne</p><p>PRSIDENT du jury</p><p>Pr. BAILLY Yannick Universit de Franche-Comt</p><p>RAPPORTEURSDr. FOUCHER Fabrice Universit dOrlansPr. MARGOT Xandra Universit polytechnique de Valence (Espagne)</p><p>EXAMINATEUR</p><p>M. DA SILVA Rui Danielson Engineering</p></li><li><p> mes grands-parents mes parents</p><p> mon frre et ma soeur ma femme</p><p> nos futurs enfants</p></li><li><p>Remerciements</p><p>Je tiens dabord remercier mon directeur de thse, le professeur Luis Le Moyne, qui</p><p>ma offert lopportunit deffectuer cette thse et qui ma ainsi fait dcouvrir le monde de</p><p>lenseignement et de la recherche. Il a toujours cru en moi durant ma thse, peut-tre mme</p><p>plus que moi-mme certains moments. Je ne regrette pas une seule seconde de mettre</p><p>lanc dans cette aventure.</p><p>Je remercie aussi lquipe du Politecnico di Milano et de lentreprise Danielson Engi-</p><p>neering pour mavoir accueillis chacun leur tour dans leurs tablissements.</p><p>Je remercie aussi mes deux rapporteurs : Dr. Fabrice Foucher et Pr. Xandra Margot,</p><p>qui mont donn de prcieux conseils pour corriger ce mmoire et russir ma soutenance</p><p>de thse. Tout comme Dr. Alan Kromns, qui ma beaucoup aid dans la dernire ligne</p><p>droite, en maintenant la pression comme il sait trs bien le faire, mais aussi et surtout en</p><p>prenant sur son temps pour maiguiller et corriger mes travaux.</p><p>Je noublie pas mes autres ami-e-s doctorant-e-s : Juliette, Raffaele, Batman, Rostand,</p><p>Clment, etc avec qui nous avons pu changer nos dboires mutuels mais aussi quelques</p><p>bires ensemble en compagnies dmilie, Perrine, Pablo, Zainol, JB etc. Il en va de mme</p><p>pour tous les autres de lISAT : Sylvain, Franois, Tonino, Aurlie, Pascal, Matthieu, Bi-</p><p>rame, etc qui mont bien aid dans des missions les plus diverses !</p><p>Ces trois anne ma aussi permis de rencontrer ma femme, Lingling, qui ntait autre</p><p>que ma "voisine" de bureau. Nous nous sommes mari dans notre troisime anne de thse</p><p>et sommes trs heureux ensemble.</p><p>3</p></li><li><p>Rsum</p><p>La comprhension de la formation dun spray est une tape importante pour le contrle</p><p>de la combustion et des missions de polluants des moteurs combustion interne. En effet,</p><p>pour linstant quelques zones dombres subsistent autour de ltablissement de lcoule-</p><p>ment intra-injecteur, lapparition de cavitation, son influence sur latomisation ou encore</p><p>leffet du mouvement de laiguille sur tout cela. Une bonne connaissance de ces paramtres</p><p>permettrait de concevoir des injecteurs ayant un design permettant une meilleure atomisa-</p><p>tion, favorisant la combustion et minimisant les rejets de polluants. Cela peut passer entre</p><p>autres par un parfait contrle de la cavitation qui a tendance amliorer latomisation</p><p>dans certaines conditions, qui restent dfinir.</p><p>Le travail effectu dans cette thse a pour but de fournir et valider des outils per-</p><p>mettant dtudier et de comprendre les phnomnes mis en jeu lors de linjection dun</p><p>carburant, principalement ax sur lcoulement intra-injecteur. Ces outils sont numriques</p><p>et permettent de simuler la formation dun spray. Cette thse est compose de trois parties,</p><p>abordant chacune une thmatique diffrente.</p><p>La premire partie est axe sur la modlisation zro-dimensionnelle. Un tat de lart des</p><p>modles de spray est effectu afin de regrouper tous les modles permettant de prdire les</p><p>caractristiques de spray suivantes : langle de spray, la pntration de spray, la longueur</p><p>du corps liquide et le diamtre moyen de Sauter. Ces modles sont ensuite compars des</p><p>donnes exprimentales, permettant dtudier les avantages et les inconvnients de chaque</p><p>modle. Les conclusions sont que la modlisation zro-dimensionnelle permet dobtenir</p><p>de bons rsultats, dans certains cas, et cela trs rapidement. Par contre une meilleure</p><p>connaissance de linfluence de la cavitation sur le spray, qui passe par la comprhension de</p><p>lcoulement intra-injecteur, pourrait tre bnfique pour la prdiction de ces modles.</p><p>5</p></li><li><p>REMERCIEMENTS</p><p>Une seconde tude est alors mene afin de choisir un modle de cavitation multidi-</p><p>mensionnel, ce qui permettra de mieux comprendre ltablissement de lcoulement intra-</p><p>injecteur avec lapparition de la cavitation. Le modle choisi est un modle quation</p><p>barotrope. Une validation de celui-ci est alors effectue de faon vrifier quil est capable</p><p>de prdire lcoulement dans un injecteur. Des donnes exprimentales ont permis de va-</p><p>lider le modle sur lapparition de la cavitation en fonction de la diffrence de pression</p><p>applique linjecteur, mais aussi sur linfluence de la gomtrie de linjecteur sur cette</p><p>apparition. Le modle offre de bons rsultats et peut tre utilis pour ltude suivante.</p><p>Enfin, dans la troisime partie, le modle de cavitation qui a t valid est utilis. Une</p><p>gomtrie dinjecteur mono-trou est utilise avec des pressions comparables celles utili-</p><p>ses dans les moteurs combustion interne injection directe. Ltude consiste tudier</p><p>linfluence de plusieurs paramtres gomtriques sur lapparition de la cavitation. Ces pa-</p><p>ramtres sont le diamtre du trou, la longueur de celui-ci, le rayon du cong lentre du</p><p>trou et la contraction (conicit) du trou. Le seul paramtre nayant aucune influence sur</p><p>le dbit est la longueur du trou, alors quen jouant sur les trois autres paramtres il est</p><p>possible de passer dun coulement cavitant un coulement dpourvu de toute cavita-</p><p>tion, dans certains cas. Le mouvement de laiguille est aussi tudi et est compar, aprs</p><p>avoir offert au code la possibilit de maillage mobile, des rsultats in-stationnaires pour</p><p>plusieurs leves daiguille. Cet outil permet donc de modliser compltement lcoulement</p><p>intra-injecteur, ce qui ouvre la porte la comprhension de la formation des sprays.</p><p>Mots cls : Modlisation 0D, modlisation 3D, cavitation, intra-injecteur, maillage-</p><p>mobile</p><p>6</p></li><li><p>REMERCIEMENTS</p><p>8</p></li><li><p>Abstract</p><p>Understanding of the formation of a spray is an important step in controlling combustion</p><p>and polluant emissions of internal combustion engines. For the moment, the establishment</p><p>of the flow inside the injector, the effect of the needle movement, the onset of cavitation</p><p>and its influence on the atomization are still misunderstood. A good knowledge of these</p><p>parameters makes easier the design of new injectors which will give a better atomization,</p><p>improving combustion and minimazing polluant emissions. This can be achieved by a per-</p><p>fect control of cavitation, which tends to improve atomization under some conditions, which</p><p>remain to be defined.</p><p>The work of this thesis aims to provide and validate tools useful to study and understand</p><p>the phenomena involved in the injection of fuel, mainly focused on intra-flow injector. These</p><p>tools are numeric and simulate the formation of a spray. This thesis consists of three parts,</p><p>each focused on a different topic.</p><p>The first part focuses on zero-dimensional modelling. A state of the art of the sprays</p><p>models is made to find all the models which predict these following characteristics of spray :</p><p>the spray angle, the spray penetration, the liquid length and Sauter mean diameter. These</p><p>models are then compared with experimental data to study pros and cons of each model.</p><p>The conclusions are that zero-dimensional modelling provides good results very quickly</p><p>in some cases. Although, a better understanding of the influence of cavitation on the</p><p>spray, which requires an understanding of the intra-flow injector, could be beneficial for</p><p>the prediction of these models.</p><p>A second study is carried out to select a model of multi-dimensional cavitation. The</p><p>chosen model is a barotropic equation model. A validation of this model is then performed</p><p>9</p></li><li><p>REMERCIEMENTS</p><p>to ensure that it is able to predict the cavitating flow inside a nozzle. The experimental data</p><p>allow studying the onset of cavitation based on the drop pressure applied to the injector,</p><p>but also on the injector geometry. This model provides good results and can be used for</p><p>the next step.</p><p>Finally, in the third part, the cavitation model previously validated is used. Single-hole</p><p>nozzle geometry is used with an injection pressure comparable to that used in internal</p><p>combustion engines with direct injection system. The study is done to investigate the</p><p>influence of several geometrical parameters on the onset of cavitation. These parameters</p><p>are the hole diameter, the hole length, the radius of the edge at the entrance of the hole</p><p>and the hole contraction (taper). There is only one parameter which has no influence on</p><p>the flow, it is the length of the hole. With the three other parameters, it is possible to move</p><p>from a significant cavitation flow to a flow without cavitation. The movement of the needle</p><p>is also studied and compared, after offering to the code the possibility of moving mesh, to</p><p>the results of several stationary needle lifts. This tool makes it possible to fully model the</p><p>intra-flow injector, which opens the door to the understanding of the spray formation.</p><p>Keywords : 0D modelling, 3D modelling, cavitation, intra-injector, moving mesh</p><p>10</p></li><li><p>Table des matires</p><p>Liste des symboles 21</p><p>Introduction 25</p><p>1 Modlisation de spray 0D 41</p><p>1.1 Donnes exprimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>1.2 tude des modles de spray 0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45</p><p>1.2.1 Modles dangle de spray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45</p><p>1.2.2 Modles de pntration de spray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>1.2.3 Modles de longueur du noyau liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . 62</p><p>1.2.4 Modles de diamtre moyen de Sauter (SMD) . . . . . . . . . . . . . 69</p><p>1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74</p><p>2 Modlisation intra-injecteur 3D 77</p><p>2.1 Modles de spray 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78</p><p>2.1.1 Mthode Blob . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80</p><p>2.1.2 Mthode Blob amliore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81</p><p>2.1.3 Fonction de distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84</p><p>2.2 Les modles de cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86</p><p>2.2.1 Modle de Rayleigh-Plesset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86</p><p>2.2.2 Modle quation dtat barotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87</p><p>11</p></li><li><p>TABLE DES MATIRES</p><p>2.3 Validation du modle quation dtat barotrope . . . . . . . . . . . . . . . 93</p><p>2.3.1 Prsentation des donnes exprimentales . . . . . . . . . . . . . . . . 94</p><p>2.3.2 Prsentation du calcul numrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98</p><p>2.3.3 Comparaisons numrique/exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . 102</p><p>2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109</p><p>3 tude numrique sur une gomtrie dinjecteur relle 111</p><p>3.1 Prsentation du cas dtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112</p><p>3.2 Rsultats numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114</p><p>3.2.1 Paramtres gomtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114</p><p>3.2.2 Paramtres variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122</p><p>3.3 Le maillage mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130</p><p>3.3.1 Le cas dtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140</p><p>3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142</p><p>Conclusion 147</p><p>Bibliographie 150</p><p>12</p></li><li><p>Liste des tableaux</p><p>1.1 Caractristiques des injecteurs utiliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44</p><p>1.2 Caractristiques des injecteurs utiliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45</p><p>1.3 Modles dangle de spray 0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46</p><p>1.4 Comparaison des diffrents modles dangle de spray . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>1.5 Modles de pntration de spray 0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55</p><p>1.6 Comparaison des diffrents modles de pntration de spray . . . . . . . . . 61</p><p>1.7 Modles de longueur du noyau liquide 0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63</p><p>1.8 Comparaison des diffrents modles de longueur du noyau liquide . . . . . . 69</p><p>1.9 Modles de diamtre moyen de Sauter 0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70</p><p>2.1 Comparaison du dbit massique exprimental et numrique . . . . . . . . . 92</p><p>2.2 Caractristiques des injecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95</p><p>2.3 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100</p><p>2.4 Caractristiques du carburant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100</p><p>2.5 Dbits massiques et coefficients de dcharge CCP . . . . . . . . . . . . . . 103</p><p>2.6 Erreur globale et coefficient de dtermination . . . . . . . . . . . . . . . . . 103</p><p>2.7 volution du dbit massique en fonction de la viscosit dynamique du car-</p><p>burant liquide (injecteur U au point de CC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104</p><p>2.8 Pourcentage de la longueur et du diamtre du trou occups par le champs</p><p>de cavitation (injecteur U) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104</p><p>13</p></li><li><p>LISTE DES TABLEAUX</p><p>2.9 CCP numriques et exprimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107</p><p>2.10 Erreur globale et coefficient de dtermination . . . . . . . . . . . . . . . . . 108</p><p>3.1 Caractristiques du carburant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113</p><p>3.2 Valeurs des quatre caractristiques gomtriques utilises pour durant ltude114</p><p>3.3 Rsultats de ltude sur le diamtre de trou do . . . . . . . . . . . . . . . . . 115</p><p>3.4 Rsultats de ltude sur la longueur du trou lo . . . . . . . . . . . . . . . . . 117</p><p>3.5 Rsultats de ltude sur le rayon du cong lentre du trou ro . . . . . . . 118</p><p>3.6 Rsultats de ltude sur la contraction du trou Ks . . . . . . . . . . . . . . . 121</p><p>3.7 Valeurs des deux variables utilises pour ltude . . . . . . . . . . . . . . . . 124</p><p>3.8 Rsultats de ltude sur la diffrence de pression P . . . . . . . . . . . . . 125</p><p>3.9 Rsultats de ltude sur la leve daiguille hn . . . . . . . . . . . . . . . . . 129</p><p>3.10 Comparaison des coefficients de dcharge en fonction de la pression de rf-</p><p>rence choisie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130</p><p>14</p></li><li><p>Table des figures</p><p>1 Illustration de la premire utilisation dun moteur combustion interne sur</p><p>un vhicule automobile, Franois Isaac de Rivaz, 1807 . . . . . . . . . . . . 26</p><p>2 volution des limites dmissions de polluants des normes Euro au cours du</p><p>temps pour les vhicules Diesel (source : BOSCH) . . . . . . . . . . . . . . . 28</p><p>3 Utilisation des diffrents systmes dinjection BOSCH sur les moteurs Diesel.</p><p>Pompes dinjection en ligne : M, MW, A P, ZWM, CW (classes par pression</p><p>dinjection croissante) ; pompe dinjection distributrices piston axial VE ;</p><p>pompe dinjection distributrices pistons radiaux VR ; pompe dinjection</p><p>unitaire PF ; pompe...</p></li></ul>