Etude par PIV par fluorescence de l’interaction d’un spray avec un écoulement gazeux en aérodynamique contrôlée : application à l’injection directe essence

Study by means of PIV by fluorescence of the interaction between a spray and a gaseous flow in a controlled aerodynamic : application to the gasoline direct injection

• Auteur / Autrice : Julien Lemetayer
• Direction : Armelle Cessou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Energétique
• Date : Soutenance le 07/12/2016
• Etablissement(s) : Rouen, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Chauveau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Cessou, Christian Chauveau, Luis Le Moyne, Xavier Tauzia, Corine Lacour, Bertrand Lecordier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Le Moyne, Xavier Tauzia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Gaz, Dynamique des

Automobiles -- Moteurs -- Injection électronique

Aérodynamique

Moteurs à explosion

Analyse par injection en écoulement

Écoulement diphasique

Vélocimétrie par images de particules

Mots clés libres

Interactions dynamiques gaz-gouttes

Injection directe essence

Aérodynamique interne moteur

Influence injection

PIV diphasique par fluorescence

Gas-droplet dynamic interactions

Gasoline direct injection

Engine internal aerodynamic

Two-phase PIV by fluorescence

Résumé

De nombreux procédés actuels mettent en jeu des écoulements diphasiques (sprays agricoles, pharmaceutiques, peinture...). Néanmoins, la connaissance des mécanismes régissant les interactions entre les phases (entraînement, modification des trajectoires des particules, transfert d'énergie...) est encore incomplète, notamment lors de l'injection directe essence, qui représente le cadre de cette étude. Dans cette étude expérimentale, les dynamiques instantanées des deux phases sont étudiées dans un plan pour mettre en évidence les interactions aérodynamiques entre les phases. Pour ce faire, un diagnostic de FPIV diphasique, utilisant un colorant fluorescent pour chaque phase, est développé afin d'acquérir simultanément des images séparées de chaque phase sur deux caméras indépendantes. Ainsi, les vitesses instantanées et simultanées des deux phases sont mesurées sans recourir à un prétraitement des images. Dans un premier temps, ce diagnostic optique est appliqué à la caractérisation d'une injection dans un gaz au repos. L'injection du spray met en mouvement le gaz par le biais d'un transfert de quantité de mouvement du spray vers le gaz. La dispersion des gouttes du spray et le mélange des deux phases qui résultent de ces transferts d'énergie cinétique dépendent du type de spray et également de la pression d'injection. Dans un second temps, ces interactions sont étudiées dans un moteur monocylindre transparent. La comparaison entre les fonctionnements avec et sans injection indique un impact notable de la présence du spray sur l'aérodynamique interne par le développement de nouvelles structures et la modification des caractéristiques du tumble. L'aérodynamique interne du moteur modifie également le développement du spray en comparaison de l'injection dans un gaz au repos.

Two-phase flows are involved in numerous actual industrial processes (agriculture, pharmacy, painting...). However, the complex interactions between phases (entrainment, particle trajectory modification, energy transfer...) are not well understood, especially for the gasoline direct injection, which represents the context of this study. For this experimental study, instantaneous dynamics of both phases are studied in a plan to highlight the aerodynamic interactions between phases. To achieve that, a two-phase FPIV diagnostic, based on using a fluorescent dye for each phase, is developed to simultaneously acquire separated images of each phase on two independent cameras. Instantaneous and simultaneous velocities of both phases are measured without any image pre-processing. Firstly, this optical diagnostic is applied to the characterisation of a spray injection in a gas at rest. The spray drags the gas by a momentum transfer from spray to gas. The spray droplet dispersion and the mixture between the two phases, which result from this kinetic energy transfer, depend on the spray topology and the injection pressure. Then, these interactions are studied in a transparent monocylinder engine. The comparison between cycles with and without injection reveals a significant impact of the spray presence on the internal aerodynamic through the development of new structures and the modification of tumble characteristics. The internal aerodynamic also modifies the spray development in comparison to the injection in a gas at rest.