Prise en compte des aspects polydispensés pour la modélisation d'un jet de carburant dans les moteurs à combustion interne

Taking into account polydispersity for the modeling of liquid fuel injection in internal combustion engines

• Auteur / Autrice : Damien Kah
• Direction : Marc Massot, Frédérique Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 20/12/2010
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Rodney O. Fox
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Massot, Frédérique Laurent, Heinz Pitsch, Michel Lance, Stéphane Jay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Heinz Pitsch, Michel Lance, Frédéric Coquel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs -- Injection du carburant

Moteurs à combustion interne -- Combustion

Mots clés libres

Ecoulements diphasiques

Sprays polydisperses

Formalisme ALE

Two-phase flows

Polydisperse sprays

ALE formalism

Résumé

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l’injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d’améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. Intrinsèquement, il est possible de simuler l’ensemble de l’écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l’injection (gouttes de diamètre < à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C’est pourquoi il est nécessaire d’introduire une modélisation diphasique. C’est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le cœur liquide dense proche de l’injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d’une population de gouttes polydisperse générées après le processus d’atomisation en aval de l’injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d’applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Elles reposent sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d’équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l’évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d’ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments ( QMOM) en une ou plusieurs dimensions d’espace. De la même manière, l’utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d’espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l’élaboration de schémas de transport d’ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (DNS) dédié à l’évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L’extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d’étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d’une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d’un calcul d’injection dans une chambre de combustion d’un spray polydisperse avec le modèle EMSM.

The general context of the PhD is the simulation of fuel injection in an internal combustion engine, in order to improve its thermal and ecological efficiency. This work more generally concerns any industrial device involving a multiphase flow made of liquid fuel injected in a chamber filled with gaz: automotive or aircraft engines, or turbo machines. In and of itself, it is possible to simulate this flow without any modeling. However the small structures created during injection (droplets of diameter until 10 μm or less) lead to a prohibitive computational cost for any industrial application. Therefore modeling is necessary. In this context, two areas are formally distinguished: the dense liquid core close to the injector called separate-phase flow, and the spray made of a polydisperse droplet population (i.e. droplets with different sizes) generated after the atomization processes downstream of the injector. This PhD work investigates Eulerian models for the description of polydisperse evaporating sprays, for industrial computations. They represent a potential alternative to Lagrangian models, widely used at present, yet suffering from major drawbacks. Thus, the Multi-Fluid model is assessed. Although it is very promising, two difficulties are highlighted: its cost for a precise description of polydispersity, and its inability to describe particle trajectory crossing (PTC). Solutions to these two limitations are considered. Both rely on high order moment methods. First, the Eulerian Multi Size Moment (EMSM) proposes a much more efficient resolution of polydisperse evaporating sprays than the Multi-Fluid model does. Mathematical tools are used to close the model and combined with original finite volume kinetic-based schemes in order to preserve the moment-set integrity, for evaporation and advection. An answer to the second limitation is provided with the Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) based on high order velocity moments. A bimodal velocity distribution can be locally reconstructed for the moments using the quadrature method of moments (QMOM), in one or multi-dimensions. Here also, finite volume kinetic-based schemes are studied in order to preserve the moment set integrity. Moreover, a mathematical study of the one-dimensional dynamic system highlights its peculiarity and constitutes a necessary basis for the design of high order numerical schemes. In order to assess them, both the models and their numerical tools are implemented in the MUSES3D code, an academic DNS solver that provides a framework devoted to spray method evaluation. Achievements of the EMSM and the EMVM models are presented. The extension of the EMSM model to an industrial context is then considered, with its implementation in the IFP-C3D code, a 3D unstructured reactive flow solver with spray. In order to perform computations within a moving domain (due to the piston movement) the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formalism is used. A numerical study has been achieved, in order to extent to this formalism the properties of accuracy and stability of the EMSM model, which already induces strong stability condition in an Eulerian approach. The robustness of the EMSM model in the IFP-C3D code has been successfully demonstrated on a case involving a moving piston, and also on a comparison with the MUSES3D code. Moreover, very encouraging results demonstrate the feasibility of the EMSM model for spray injection.