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Description

Niveau: Supérieures
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  • texte en page de droite

  • préparation de stage

  • charle quentin

  • environnements de travail variés

  • ecole de technologie

  • supérieure de montréal

  • energétique industrielle


Sujets

Informations

Publié par
Nombre de lectures 31
Langue Français
Poids de l'ouvrage 4 Mo

Extrait

Remarque : en cas de lecture sur écran, ce rapport est à lire en mode livre (deux pages en vis -à-vis) afiŶ d’aǀoiƌ les gƌaphes et sĐhĠŵas eŶ page de gauĐhe et le tedžte eŶ page dedroite :
Dans Adobe Reader : Affichage -> Affiche de page -> Deux pages avec défilement
Projet de Fin d’Etudes
Simulation de l’écoulement à l’intérieur d’un injecteur Diesel et étude de l’influence des propriétés du carburantCHARLE Quentin
Ce projet a été réalisé sous la tutelle de Mr Patrice SEERS et Mr Michel CROCHET
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Remerciements
Avant de débuter je souhaiteraisƌeŵeƌĐieƌ toutes les peƌsoŶŶes et iŶstitutioŶs Ƌui ŵ’oŶt peƌŵis de ƌĠaliseƌ Đe pƌojet de fiŶ d’Ġtude daŶs les ŵeilleuƌes ĐoŶditioŶs.
Pouƌ ĐoŵŵeŶĐeƌ, l’INSA de Stƌasďouƌg daŶs laƋuelle j’ai pueffectuer ma formation pendant les 5 deƌŶiğƌes aŶŶĠes daŶs d’edžĐelleŶtes ĐoŶditioŶs et Ƌui ŵ’a peƌŵis d’aĐƋuĠƌiƌ descompétences teĐhŶiƋues daŶs de Ŷoŵďƌeudž doŵaiŶes aiŶsi Ƌue l’autoŶoŵie suffisaŶte pouƌ ŵ’adapteƌ à des environnements de travail variés.
Je pense également aux différents acteurs de cette formation, avec pour commencer Mr Michel CƌoĐhet, eŶseigŶaŶt eŶ GĠŶie MĠĐaŶiƋue à l’INSA Stƌasďouƌg, ŶotaŵŵeŶt daŶs la spĠĐialitĠ Energétique Industrielle, et tuteur de mon Projet. Je voudrais aussi remercier Mr Gérard Hermal pour soŶ ƌôle pƌĠpoŶdĠƌaŶt daŶs la foƌŵatioŶ eŶ GĠŶie MĠĐaŶiƋue, ďieŶ Ƌu’il Ŷ’ait pas diƌeĐteŵeŶt participé à la réalisation du présent projet. Je tiens encore à remercier le service des relations internationales ainsi que le secrétariat de spécialité pour leur aide pendant les démarches préliminaires de recherche et de préparation de stage ainsi que pour le suivi du bon déroulement de celui-ci.
Ensuite, je souhaiterais signalerle ƌôle edžeŵplaiƌe de l’iŶstitutioŶ d’aĐĐueil, l’EĐole de TeĐhŶologie SupĠƌieuƌe de MoŶtƌĠal ;QuĠďeĐ, CaŶadaͿ Ƌui ŵ’a, aiŶsi Ƌue de Ŷoŵďƌeudž autƌes ĠtudiaŶts de l’INSA aĐĐueilli daŶs les ŵeilleuƌes ĐoŶditioŶs afiŶ Ƌue je puisse ƌĠaliseƌ uŶ pƌojet d’iŶtĠƌġt.
Dans le cadre pratique de mon stage, jeƌeŵeƌĐie Mƌ PatƌiĐe SEERS, eŶseigŶaŶt ĐheƌĐheuƌ de l’ETSƋui ŵ’a eŶĐadƌĠ et guidĠ au loŶg de Đe pƌojet doŶt j’ai ƌĠalisé la première partie.
Enfin, je tiens à souligner le soutien de la région Alsace aux étudiants choisissant de réaliser une pĠƌiode stage à l’ĠtƌaŶgeƌ paƌ l’attƌiďutioŶ d’uŶe ďouƌse de ŵoďilitĠ, Đe Ƌui ŵ’a peƌŵis de Đouǀƌiƌ une partie de mes frais lors de ces 5 mois au Canada.
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Ce pƌojet a ĠtĠ ƌĠalisĠ au laďoƌatoiƌe de MĠĐaŶiƋue des Fluides NuŵĠƌiƋues de l’EĐole de TeĐhŶologie SupĠƌieuƌe de MoŶtƌĠal. Il ĐoŶstitue la pƌeŵiğƌe Ġtape d’uŶe Ġtude gloďale doŶt le ďut est d’aŵeŶeƌ uŶe meilleure compréhension de la physique des écoulements internes dans les injecteurs diesels haute pression. Dans ce sens, ce projet a consisté à fournir une base de simulation numérique fiable mais restant à aŵĠlioƌeƌ. Les pƌeŵieƌs ƌĠsultats foŶt Ġtat de l’effet de la ĐaǀitatioŶ suƌ l’aŵĠlioƌation du mélange de ĐaƌďuƌaŶt aiŶsi Ƌue les ĐoŶsĠƋueŶĐes de l’utilisatioŶ de ďioĐaƌďuƌaŶts suƌ la ďaisse de puissaŶĐe et la surconsommation éventuelle.
This project was carried out in the Computed Fluid Dynamics laboratory of the engineering university ETS Montreal. It represents the first step of a global study aiming at bringing a better understanding of the physics behind internal flow of high pressure diesel injectors. To achieve this goal, this project consisted in providing a reliable basis for numerical simulations that however, can still be improved. First results show the effect of cavitation on the improvement of fuel mixing as well as the consequences of biofuels on the decrease in output and overconsumption.
Titre: Ecoulement Interne dans les Injecteurs Diesels
PROJET DEFIN D’ETUDES
Soutenance: 01/09/2011
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Nb de volume(s) : 1 Nb de pages : 128 Nb de références bibliographiques : 10
Mots clés:CFD, Ecoulement, Injecteur, Diesel, Turbulence, Cavitation
Traduction:
Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg
Auteur: Quentin CHARLE
Promotion: GM5EI 2011
StƌuĐtuƌe d’aĐĐueil: ETS Montréal
Résumé:
Table des matières I. Introduction................................................................................................................................... 11 II.PƌĠseŶtatioŶ de l’oƌgaŶisatioŶ...................................................................................................... 13 A.L’EĐole de TeĐhŶologie SupĠƌieuƌe........................................................................................... 13 1. Description ............................................................................................................................ 13 2. En chiffres .............................................................................................................................. 13 B. Le Laboratoire LATNA ................................................................................................................ 15 III. Etapes, hypothèses et paramètres............................................................................................ 17 A.DesĐƌiptioŶ de l’iŶjeĐteuƌ.......................................................................................................... 17 1. Modèle utilisé........................................................................................................................ 17 2. Fonctionnement .................................................................................................................... 17 B.Etapes d’uŶe siŵulatioŶ............................................................................................................ 19 1. Hypothèses ............................................................................................................................ 19 2. Le processus suivi .................................................................................................................. 21 C. Conclusion ................................................................................................................................. 21 IV. Maillage ..................................................................................................................................... 23 A. Génération................................................................................................................................. 23 1. Processus de maillage ........................................................................................................... 23 2. Les zones du maillage ............................................................................................................ 25 3. Choix des paramètres............................................................................................................ 27 B. Simulations ................................................................................................................................ 31 1. Comparaison modèle Laminaire/Turbulent .......................................................................... 31 2. Détermination des paramètres appropriés pour la triangulation ........................................ 33 3. Choix du maillage .................................................................................................................. 43 C. Problèmes rencontrés ............................................................................................................... 47 D. Conclusion ................................................................................................................................. 49 V. Turbulence..................................................................................................................................... 51 A. Théorie ...................................................................................................................................... 51 1.PƌiŶĐipe d’uŶ ŵodğle de tuƌďuleŶĐe..................................................................................... 51 2. Les modèles de turbulence étudiés....................................................................................... 55 3. Modélisation de la couche limite .......................................................................................... 57 4. Grandeurs associées à la turbulence..................................................................................... 67 B. Simulations ................................................................................................................................ 69 1. Calcul des conditions initiales ............................................................................................... 69
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2. Comparaison en temps de calcul .......................................................................................... 73 3. Calcul du coefficient de décharge ......................................................................................... 75 4. Calcul du débit massique injecté........................................................................................... 79 + 5. Valeurs de y .......................................................................................................................... 79 6. Zone de recirculation............................................................................................................. 81 C. Conclusion ................................................................................................................................. 85
VI. Cavitation .................................................................................................................................. 87 A. Théorie ...................................................................................................................................... 87 1. Principe de la cavitation ....................................................................................................... 87 2. Prise en compte dans Star-CD ............................................................................................... 87 B. Choix des paramètres de simulation ......................................................................................... 89 1. Pas de temps et durée de la simulation ................................................................................ 89 2. Modèle de cavitation de Rayleigh ......................................................................................... 97 3. Paramètres généraux ............................................................................................................ 99 C. Simulations ................................................................................................................................ 99 1. Validation pas de temps et durée de la simulation............................................................... 99 2. Résultats et comparaison par rapport au modèle Turbulent seul ...................................... 105 D. Conclusion ............................................................................................................................... 105 VII. Influence du fluide................................................................................................................... 107 A. Propriétés des carburants ....................................................................................................... 107 1. Principales caractéristiques du Diesel ................................................................................. 107 2. Les caractéristiques des biodiesels ..................................................................................... 109 B. Carburants utilisés pour les simulations ................................................................................. 111 1. Dodécane C12H26.................................................................................................................. 111 2. Gazole classique .................................................................................................................. 111 3. Biodiesels............................................................................................................................. 111 C. Simulations .............................................................................................................................. 113 1. Effet de la densité................................................................................................................ 113 2. Effet de la viscosité.............................................................................................................. 115 D. Comparaison Carburant pur / Multi-espèce ........................................................................... 121 E. Conclusion ............................................................................................................................... 121 VIII. Conclusion ............................................................................................................................... 123 IX. Annexes ................................................................................................................................... 125
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Figure 1 : Logo Officiel de l'ETS ............................................................................................................. 12 Figure 2 : Photo Officielle du bâtiment principal .................................................................................. 12 Figure 3 : Injecteur modèle ................................................................................................................... 16 Figure 4 : Injecteur Common-rail BOSCH .............................................................................................. 16 Figure 5 : Données expérimentales de débit massique d'injection en fonction du temps (Sandia labs) ............................................................................................................................................................... 18 Figure 6 : Cycle Diesel idéal ................................................................................................................... 20 Figure 7 : Déroulement du projet.......................................................................................................... 20 Figure 8 : Processus de maillage ........................................................................................................... 22 Figure 9 : Modèle CAO utilisé pour les simulations .............................................................................. 22 Figure 10 : Zone définition des différentes finesses de maillage .......................................................... 24 Figure 11 : Visuel de trois finesses de triangulation de surface ............................................................ 24 Figure 12 : Visualisation en coupe de la couche de surface.................................................................. 28 Figure 13 : Comparaison de deux paramètres d'initialisation .............................................................. 28 Figure 14 : Convergence / Non-convergence en modèle laminaire...................................................... 30 Figure 15 : Temps de calcul Laminaire / Turbulent ............................................................................... 30 Figure 16 : Tableau des paramètres retenus pour les tests de finesse de maillage ............................. 32 Figure 17 : Points de relevé pour le traçage du profil des vitesses ....................................................... 34 Figure 18 : Profil des vitesses pour plusieurs finesses de maillage à y=0,8 (1) .................................... 34 Figure 19 : Profil des vitesses pour plusieurs finesses à y=0,6 (2) ........................................................ 34 Figure 20 : Comparaison des différentes finesses de maillage au niveau de la répartition des pressions ............................................................................................................................................................... 34 Figure 21 : Influence de la couche de surface ....................................................................................... 36 Figure 22 : Définition des zones de maillage......................................................................................... 36 Figure 23 : Profil de vitesse dans le réservoir (3) .................................................................................. 38 Figure 24 : Profil de vitesse dans l'étranglement (2)............................................................................. 38 Figure 25 : Profil de vitesse dans la zone d'entrée (1) .......................................................................... 38 Figure 26 : Profil de vitesse au milieu de la pointe (5) .......................................................................... 40 Figure 27 : Profil de vitesse à l'entrée de la pointe (4).......................................................................... 40 Figure 28 : Zones du maillage 3" ........................................................................................................... 42 Figure 29 : Maillage Final : Taille et nombre de Mailles........................................................................ 44 Figure 30 : Maillage présentant des cellules corrompues .................................................................... 46 Figure 31 : Définition des surfaces de révolution ................................................................................. 46 Figure 32 : Comparaison Maillage Structuré/Non-Structuré ................................................................ 48 Figure 33 : Ecoulement dans un tube.................................................................................................... 50 Figure 34 : Modèle à deux couches / Fonction de mur......................................................................... 58 Figure 35 : Zones de la couche limite .................................................................................................... 62 Figure 36 : Zones de la couche limite (graphe) ..................................................................................... 62 + Figure 37 : Effet de la valeur de y sur le profil de vitesse .................................................................... 64 Figure 38 : Effet de la finesse du maillage sur la friction de surface ..................................................... 64 Figure 39 : Vortex .................................................................................................................................. 66 Figure 40 : Section de passage du fluide dans la zone d'entrée ........................................................... 70 Figure 41 : Temps de calcul en fonction de la pression d'injection ...................................................... 72 Figure 42 : Temps de calcul en fonction du maillage et du modèle de turbulence .............................. 72 Figure 43 : Décollement du fluide au niveau de la paroi lors d'un changement de direction .............. 74
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Figure 44 : Application du théorème de Bernoulli le long d'une ligne de courant ............................... 74 Figure 45 : Valeurs expérimentales pour plusieurs configurations d'injecteurs ................................... 76 Figure 46 : Profil de vitesse en sortie en fonction du maillage et du modèle de turbulence ............... 76 + Figure 47 : Relevés de y en fonction du maillage en deux points de l'écoulement ............................. 78 + Figure 48 : Domaines d'application des modèles de turbulence en fonction de y .............................. 78 Figure 49 : Zone de recirculation........................................................................................................... 80 Figure 50 : Effet du maillage et du modèle de turbulence sur le profil de vitesse dans la couche limite ............................................................................................................................................................... 82 Figure 51 : Effet du maillage et du modèle de turbulence sur la contrainte en surface ...................... 82 Figure 52 : Diagramme de phase du Dodécane .................................................................................... 86 Figure 53 : Principe de la cavitation ...................................................................................................... 86 Figure 54 : Temps de parcours d'une particule en fonction de la zone de passage ............................. 90 Figure 55 : Tracé de lignes de courant .................................................................................................. 90 Figure 56 : Taille d'une maille................................................................................................................ 94 Figure 57 : Influence du nombre de noyaux sur l'apparition de la cavitation ...................................... 96 Figure 58 : Tableau de résultats (modèle de Rayleigh) ......................................................................... 96 Figure 59 : Paramètres d'essais de simulation avec Cavitation ............................................................ 98 Figure 60 : Evolution du profil de vitesse en résolution transitoire ...................................................... 98 Figure 61 : Evolution de la viscosité turbulente en fonction du temps .............................................. 100 Figure 62 : Paramètres de pas de temps et de durée de simulation .................................................. 102 Figure 63 : Effets de la Cavitation........................................................................................................ 104 Figure 64 : Comparaison zone de recirculation et énergie cinétique turbulente avec et sans Cavitation ............................................................................................................................................................. 104 Figure 65 : Graphe viscosité/température pour plusieurs mélanges de diesel et biodiesel .............. 108 Figure 66 : Paramètres de simulation pour l'influence de la densité.................................................. 112 Figure 67 : Effet de la densité sur le profil de vitesse ......................................................................... 112 Figure 68 : Effet de la densité sur la vitesse moyenne et le débit injecté ........................................... 114 Figure 69 : Paramètres de simulation pour l'influence de la viscosité................................................ 114 Figure 70 : Effet de la viscosité sur le profil de vitesse ....................................................................... 116 Figure 71 : Effet de la viscosité sur la vitesse moyenne et le débit injecté ......................................... 116 Figure 72 : Répartition de température et de contrainte de surface en fonction de la viscosité ....... 118 Figure 73 : Effet de la viscosité sur la vorticité du fluide..................................................................... 118 Figure 74 : Composition simplifiée d'un carburant par répartition des espèces ................................ 120 Figure 75 : Caractéristiques des espèces ............................................................................................ 120
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