LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

Nicolas Dumont

Description

Niveau: Supérieur
Thèse Présentée Pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Dynamique des Fluides par Nicolas Dumont Modélisation de l'écoulement diphasique dans les injecteurs Diesel Soutenue le 13 Décembre 2004 devant le jury composé de : Président du jury Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Georges CHARNAY professeur, IMFT, Toulouse Eric DANIEL professeur, IUSTI, Marseille Iskender GOKALP professeur, Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs, Orléans Daniel FRUMAN professeur, DHF Conseil, Vésinet le Pecq Chawki HABCHI docteur, IFP, Rueil-Malmaison Jerome HELIE docteur, Siemens Automotive Directeur des travaux de recherche : Olivier SIMONIN, professeur, IMFT, Toulouse

• diesel engine


• examinateur


• injecteur multi-trous


• atomisation dans la chambre


• conditions aux limites aux codes de simulation de combustion dans la chambre


• code de simulation


• injection complète


• injection directe


• modélisation de l'écoulement diphasique dans les injecteurs diesel

Sujets

• Siemens
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Dumont
• Charnay
• Diesel engine

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 décembre 2004
• Nombre de lectures: 55
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Thèse

Présentée Pour obtenir

LE TITREDE DOCTEURDEL’INSTITUTNATIONAL POLYTECHNIQUE DETOULOUSE

Spécialité : Dynamique des Fluides

par

NicolasDumont

Modélisationde l’écoulement diphasique danslesinjecteurs Diesel

Soutenue le 13 Décembre 2004 devant le jury composé de :

Président du jury Rapporteur Rapporteur

Examinateur Examinateur Examinateur

Georges CHARNAY Eric DANIEL Iskender GOKALP

Daniel FRUMAN Chawki HABCHI Jerome HELIE

Directeur des travaux de recherche :

professeur, IMFT, Toulouse professeur, IUSTI, Marseille professeur, Laboratoire de Combustio n et Systèmes Réactifs, Orléans professeur, DHF Conseil, Vésinet le Pecq docteur, IFP, RueilMalmaison docteur, Siemens Automotive

Olivier SIMONIN, professeur, IMFT, Toulouse

Thèse

Présentée Pour obtenir

LE TITREDE DOCTEURDEL’INSTITUTNATIONAL POLYTECHNIQUE DETOULOUSE

Spécialité : Dynamique des Fluides

par

NicolasDumont

Modélisationde l’écoulement diphasique danslesinjecteurs Diesel

Soutenue le 13 Décembre 2004 devant le jury composé de :

Président du jury Rapporteur Rapporteur

Examinateur Examinateur Examinateur

Georges CHARNAY Eric DANIEL Iskender GOKALP

Daniel FRUMAN Chawki HABCHI Jerome HELIE

Directeur des travaux de recherche :

professeur, IMFT, Toulouse professeur, IUSTI, Marseille professeur, Laboratoire de Combustio n et Systèmes Réactifs, Orléans professeur, DHF Conseil, Vésinet le Pecq docteur, IFP, RueilMalmaison docteur, Siemens Automotive

Olivier SIMONIN, professeur, IMFT, Toulouse

Rsum

Dans les moteurs Diesel â injeÇtion direÇte, la qualitÉ de la Çombustion dÉpend fortement de la pulvÉrisa tion du Çarburant dans la Çhambre de Çombustion. Cette pulvÉrisation est due â l’aÉrodynamique dans la Çhambre, mais elle est Également influenÇÉe par les ÇaraÇtÉristiques de l’ÉÇoulement du Çarburant â la sortie de l’injeÇteur. Comme les phÉnomÈnes en jeu sont exÇessivement rapides (de l’ordre de la miÇroseÇonde) et qu’ils interviennent dans les gÉomÉtries trÈs petites (de l’ordre du miÇromÈtre), les Études expÉrimen tales sont diffiÇiles â rÉaliser. On se propose donÇ de dÉvelopper un Çode de simulation qui a deux buts : aÇÇÉder â une meilleure ÇomprÉhension de l’ÉÇoulement dans l’injeÇteur (pour optimiser les gÉomÉtries de l’injeÇteur), et prÉdire les Çonditions de sortie de l’ÉÇoulement pour fournir des Çonditions aux limites aux Çodes de simulation de Çombustion dans la Çhambre. Nous Çommenons par dÉÇrire les phÉnomÈnes intervenant dans l’injeÇteur et la faon dont ils influenÇent l’atomisation dans la Çhambre. Nous faisons ensuite une revue des modÈles permettant de simuler les ÉÇou lements diphasiques, en montrant les domaines de validitÉ de ÇhaÇun d’eux. Nous expliquons le modÈle que nous avons Çhoisi basÉ sur l’hypothÈse d’un ÉÇoulement homogÈne â l’ÉÇhelle de la maille, et son im plÉmentation dans KIVAMB. Une attention partiÇuliÈre est portÉe sur les Çonditions aux limites en sortie de l’injeÇteur, pour lesquelles nous utilisons des Çonditions non rÉfleÇtives. Des rÉsultats de simulation sont dÉÇrits et validÉs pour un injeÇteur monotrou et un injeÇteur multitrous, montrant les possibilitÉs du Çode â aÇÇÉder â une meilleure ÇomprÉhension de la topologie de l’ÉÇoulement dans l’injeÇteur au Çours d’une injeÇtion ÇomplÈte.

Motsclefs

Moteur Diesel, InjeÇteur, ModÉlisation diphasique, Cavitation, KIVA, Conditions aux limites non rÉfleÇtives

Abstract

Combustion quality in DireÇt InjeÇtion Diesel engine depends strongly on the jet atomization in the Çom bustion Çhamber. Atomization is due to aerodynamiÇal interaÇtion, but it is also influenÇed by the liquid flow ÇharaÇteristiÇs at the injeÇtor exit. As the phenomena are extremely rapid and they take plaÇe in very small geometries, experimental investigations are pretty hard to manage. Consequently, our purpose is to develop a simulation Çode whiÇh has two goals : a better Çomprehension of the flow in the injeÇtor in order to optimize the injeÇtor geometry, and the prediÇtion of the flow ÇharaÇteristiÇs at the injeÇtor exit, in order to provide boundary Çonditions to Çombustion simulation Çodes. At first, we desÇribe phenomena oÇÇuring in the injeÇtor and their influenÇe on atomization. Their we make a revue of the twophase models, defining their validity domains. We present the model that we use, based on a homogeneous flow assumption in eaÇh mesh Çell, and its implementation in KIVAMB. We show that a partiÇular attention has been foÇused on exit boundary Çonditions : we used nonrefleÇtive Çonditions. Simu lations results are then desÇribed and validated for a onehole injeÇtor and a multihole injeÇtor, showing the Çode possibilities to get a better understanding of the liquid flow in an injeÇtor during the whole injeÇtion.

Keywords

Diesel Engine, InjeÇtor, two phase flow modelling, Cavitation, KIVA, NonrefleÇtive boundary Çonditions

2

Remerciements

ES premiers remerÇiements sont pour Chawki HabÇhi, qui a su me faire ÇonanÇe et qui m’a soutenu M tout au long de Çette thèse. Il a su se rendre disponible et tre sourÇe de motivation dans toutes les ÇirÇonstanÇes, et sa forÇe de persuasion m’a permis de mener à bien la rédaÇtion du présent doÇument. À Toulouse, la persévéranÇe de Georges Charnay a débloqué la situation administrative et m’a permis de soutenir "dans les temps". Je le remerÇie pour m’avoir fait ÇonanÇe et pour les démarÇhes qu’il a dû entre prendre an d’organiser la soutenanÇe.

Philippe PinÇhon, Thierry Baritaud puis Stéphane Henriot m’ont aÇÇueilli au sein de la division TAE à l’IFP, je les remerÇie pour avoir soutenu les reÇherÇhes sur Çe thème.

Olivier Simonin a aÇÇepté d’tre le direÇteur de Çette thèse et a su me faire ÇonanÇe bien que je n’aie pas toujours suivi ses Çonseils.

MerÇi aux membres du jury : EriÇ Daniel et Iskender Gokalp pour avoir aÇÇepté de rapporter Çes tra vaux, Daniel Fruman pour ses remarques toujours fruÇtueuses, et Jérome Helie pour LA question pendant la soutenanÇe.

L’aide de David SÇhmidt, dès le début de la thèse, a été très préÇieuse. Ses remarques et Çommentaires ont permis, gráÇe à son expérienÇe, de gagner beauÇoup de temps dans le Çhoix des modèles.

Ce doÇument n’aurait pu tre nalisé sans les RaÇaÇanes. Leurs longues soirées de leÇture du manusÇrit n’auront pas été vaines. Mes remerÇiements s’assoÇient donÇ à Çeux du leÇteur : sans elles, le rapport de thèse se serait montré difÇilement lisible.

Les Çollègues ingénieurs et thésards à l’IFP m’ont aidé gráÇe à leurs enÇouragements Çhaleureux, leurs Çonseils avisés, leur bonne humeur, leurs idées saugrenues, leur humour, leur soutien inÇonditionnel, leur A esprit, leurs paÇkages LT X. Je Çiterai dans le désordre : Dr Jé et sa sÇienÇe, FabriÇe et son egme légen E daire, Stéphane et ses blagues du matin, Damien et ses bidouilles informatiques, Louiza et son naturel, Benoît et sa bonne humeur, Niels et ses histoires inÇroyables, Juliette et ses galères, Thierry et son soutien Çonstant, Mourad et ses réexions, Emmanuel qui doit voguer vers de nouvelles aventures, JeanMarÇ et ses idées qui vont trop vite on Çomprend pas tout Çe qu’il dit trop tard il est parti, Adlène qui aurait dû arriver à l’IFP plus tôt, François le mailleur fou, Philippe et ses Çigarettes, MarÇ et ses Çonseils sur KIVA, Arnaud et ses mises sous pression, Laurent et ses matins difÇiles, Guillaume et ses polémiques.

Bonne ÇhanÇe aux suivants, prinÇipalement à JeanBaptiste qui a la lourde táÇhe de poursuivre le présent travail.

Et que la rsolution soit bonne !

4

Table des matires

Nomenclature

Table des Figures

Introduction générale

1

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Que se passet’il dans un injecteur Diesel haute pression ? 1.1 PrinÇipe de fonÇtionnement d’un ÇirÇuit d’injeÇtion haute pression . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Rôle des hautes pressions d’injeÇtion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Le ÇirÇuit Çommon rail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 L’injeÇteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 La buse d’injeÇtion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.5 Ordres de grandeur de l’. . . . . . . . . . .écoulement dans le nez de l’injecteur 1.2 La cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Cavitation et écoulement dans l’injecteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Échelle de grandeur de la cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Impact de l’écoulement sur la cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Dissymétrie de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Écoulement secondaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Limitation du débit dans l’orifice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14

15

19 19 19 19 21 23 24 24 26 28 29 34 34 35 37 37

Phénoménologie et modélisation de l’atomisation 39 2.1 Qu’est ce que l’atomisation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2 Caractéristiques influençant l’Atomisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.1 La turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.2 Dissymétrie de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.3 Lâcher des poches et fluctuation de pression et du profil de vitesses . . . . . . . . 46 2.2.4 Collapse des poches de cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Conclusion sur les facteurs influençant l’atomisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4 Modèles d’atomisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.1 Modèle TaylorAnalogy Breakup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.2 Modèle de Reitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4.3 Modèle de HuhGosman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.4 Modèle WAVEFIPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.4.5 Modèle de ValletBorghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.6 Modèle de GavaisesArcoumanis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.4.7 Modèle de fractionnement primaire basé sur l’énergie du collapse des bulles de cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.5 Conclusion concernant les modèles d’atomisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

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3

4

5

TABLE DES MATIÉRES

L’état de l’art en modélisation diphasique des écoulements cavitants 3.1 M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .éthodes de suivi et de capture d’interface 3.1.1 Méthode de suivi d’interface “Surface Tracking” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Méthode de capture d’interface "FrontCapturing" . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Suivi de bulles "Bubble Tracking" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Mod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .èles de mélange 3.3 Modèles à deux fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Codes disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 FLUENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 ESTETASTRID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 STARCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Modèles testés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 CAVALRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 EOLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65 65 66 67 70 72 75 78 78 78 79 79 79 84 87

Le modle de mélange homogne à l’équilibre (HEM) 91 4.1 Hypothèses du modèle de mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2 Expression de la vitesse du son dans le mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.1 Équations d’un écoulement diphasique monodimensionnel . . . . . . . . . . . . . 92 4.2.2 Calcul du gradient de pression dû à la friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.3 Calcul du gradient de pression dû à l’accélération . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.4 Calcul du gradient de pression dû à la gravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.5 Équation de la vitesse du son . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3 Élaboration de la loi d’état HEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.4 Extension de la loi d’état HEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.5 Modélisation de la viscosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

laboration du code CavIF 101 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Comparaisons ISNAS/QSOU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2.1 Le schéma ISNAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2.2 Le schéma QSOU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2.3 Advection d’un champ scalaire avec différents schémas . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.4 Comparaison dans le code bidimensionnel CAVALRY . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.5 Choix du schéma d’advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Implantation dans la structure KIVA2MB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3.1 Modélisation et équations du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3.2 Discrétisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.3.3 Discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3.4 phase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.3.5 Phase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1 Conditions aux limites en entrée par un code monodimensionnel . . . . . . . . . . 111 5.4.2 Conditions aux limites en entrée simplifiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4.3 Conditions aux limites en sortie du trou d’injection . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.4.4 Conditions aux limites aux parois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Les conditions de symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.5.1 Symétrie par rapport à un plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.5.2 Symétrie axiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Architecture multiblocs de CavIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Le mouvement de maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

TABLE DES MATIÉRES

6

7

7

Validation du code CavIF 123 6.1 Validation de la ÇonsistanÇe g. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123éométrique . 6.2 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.3 Collapse d’une bulle dans un milieu semiinfini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.4 Collapse d’une bulle au voisinage d’une paroi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Écoulement cavitant dans un injecteur monotrou .

Résultats de calculs 135 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.2 Calculs pour un injecteur monotrou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.2.1 Influence du rayon de courbure à l’entrée de l’orifice . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.2.2 Influence de l’écoulement amont pour un injecteur à entrée vive . . . . . . . . . . 139 7.3 Écoulement tridimensionnel dans une géométrie d’injecteur simplifiée . . . . . . . . . . . 140 7.4 Calculs pour un injecteur multitrou avec mouvement de maillage . . . . . . . . . . . . . . 146 7.4.1 Maillage et conditions du calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.4.2 Exploitation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Conclusion générale

Bibliographie

A Publication ICLASS2000

B Publication CAV2001

159

169

171

205