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Thèse présentée à

Normandie Université - Rouen

Spécialité Physique Energétique

Par

Trung-Thanh VU

Soutenue le 12 juillet 2017

Atomization process of turbulent liquid sheets : experiemntal analysis and numerical developments
Jury

Rapporteur
M. Stéphane VINCENT, Professeur, MSME, Université Paris-Est Marne-la-Vallée
M. Rudy BAZILE, Maître de Conférences, HDR, IMFT, Toulouse

Examinateurs
Mme. Françoise BAILLOT Professeure, CORIA, Université de Rouen Normandie, Rouen
Mme. Marie-Charlotte RENOULT, Maître de Conférences, CORIA, INSA de Rouen
M. Jérôme HELIE,Expert Senior, Responsable Equipe Nozzle & Sprays, CONTINENTAL, Toulouse

Directeur de thèse
M. Christophe DUMOUCHEL, Directeur de Recherche, CORIA, Université de Rouen

Co-directeur
M. Thibaut MENARD Maître de Conférences, CORIA, Université de Rouen

Abstract
Liquid fuel atomization is crucial for the performance of internal combustion engines. Through an injector, the liquid is delivered into the combustion chamber and breaks down into droplets. The finer the drops, the quicker their evaporation and the more proper their mixing with air. A proficient combustion could hence be expected, with low pollutant emissions.
Atomization quality is primarily affected by the injector design and the operating conditions which shape the internal flow structure, the turbulence level, the velocity profile at the nozzle outlet, the cavitation and so forth. All these features are determinants of the breakup of the external liquid flow.
Another key parameter to optimize the atomization process is the fuel physical properties. One can think of, among others, the dynamic surface tension controlled by the diffusion of the surfactants on the liquid-gas interface or the extensional viscosity which makes a liquid to become more resistant to the stretching, thereby affecting the breakup.
Effects of the injector design, the operating conditions and the liquid properties on the atomization are inter-dependent. Analyses of experimental data help us to understand the involved mechanisms and their interactions. On the one hand, this is useful for the numerical developments which should be carried out depending upon the configuration. On the other hand, quantitative criterion could be established to validate the simulation results.
Following the above research methodology, we aim to study the disintegration of planar turbulent liquid sheets produced by a triple-disk injector. Experimental measurements provide the sheet images, used as input for a multi-scale analysis. We investigate, thanks to the latter, the behaviours of the liquid sheet, the ligaments appearing on its edges and the resulting droplets. Moreover, two immersed boundary methods are developed, aiming to simultaneously solve the nozzle flow and the breakup process. We carry out two applications, the first one on a liquid jet ejected by a cylindrical nozzle and the other a planar sheet issuing from a triple-disk injector.

Résumé
Le processus d’atomisation est important pour la performance des moteurs à combustion interne. Grâce à un injecteur, le carburant liquide est admis dans la chambre de combustion et se divise en gouttelettes. Plus petites les gouttes, plus rapide leurs évaporation et meilleur le mélange air-carburant. Une meilleure combustion pourrait être obtenue, avec faibles émissions polluantes.
La qualité de l’atomisation est influencée principalement par la géométrie de l’injecteur et les conditions opératoires qui forment la structure de l’écoulement interne, la turbulence, le profil de vitesse à la sortie de l’injecteur, la cavitation, etc. Tous ces aspects sont déterminants pour la rupture de l’écoulement externe.
Un autre paramètre clé pour optimiser le processus d’atomisation est les propriétés physiques des carburants. On pense, parmi autres, à la tension de surface dynamique contrôlée par la diffusion des surfactants sur l’interface liquide-gaz ou à la viscosité extensionnelle qui rend un liquide plus résistant à l’étirement, influençant donc la rupture.
Les effets de la géométrie de l’injecteur, les conditions opératoires et les propriétés physiques des liquides sur l’atomisation sont inter-dépendents. Les analyses expérimentales nous aident à comprendre les mécanismes impliquant et leurs interactions. D’une part, elles sont utiles pour les simulations numériques qui devraient être réalisées suivant la configuration considérée. D’autre part, les critères quantitatifs pourraient être établis afin de valider les résultats numériques.
En suivant cette méthodologie de recherche, nous souhaiterons étudier l’atomisation d’une nappe liquide turbulente produite par un injecteur triple-disque. Les mesures expérimentales fournissent les images de la nappe, utilisées comme l’entrée d’une approche multi-échelle. Nous étudions, grâce à la dernière, les comportements de la nappe, des ligaments qui apparaissent à ses bords et des gouttelettes. De plus, deux méthodes de frontières immergées sont développées pour résoudre en même temps l’écoulement interne et le processus d’atomisation. Nous réalisons deux applications, la première pour un jet liquide éjecté par un injecteur cylindrique et la deuxième pour une nappe plane produite par un injecteur triple-disque.

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