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Thèse présentée à

Université de Rouen

Academic Discipline : Physics
Speciality : Fluid Mechanics

Par

Yann MESLEM

Soutenue le 21 février 2013

Determination of a cavitation model to consider its impact on the atomization in Diesel engine injection
Jury

Reviewers
Mikhael GOROKHOVSKI, Professeur des Universités, LMFA - Lyon.
Jacques-André ASTOLFI, Maître de Conférences, IRENav - Brest.

Examiners
Olivier COUTIER DELGOSHA, Professeur des Universités, ENSAM - Lille.
Jean-Pierre FRANC, Professeur des Universités, LEGI - Grenoble.

Guests
Sylvie HONNET, Docteur, PSA - Vélizy-Villacoublay.
Wolfgang SCHWARZ, Docteur, AVL AST - Croissy-sur-Seine.

Thesis Director
Francois-Xavier DEMOULIN, Maître de Conférences, CORIA - Rouen.

Simulations of the combustion has become a necessary step during both design and development of internal combustion engines but requires a good knowledge of the macroscopic characteristics of the spray (cone angle, penetration length, droplet size distribution) especially for the direct injection engines as modern Diesel engines.
Previous studies have shown that the cavitation phenomenon, which occurs very often in the framework of high pressure diesel injection, modifies the above-mentioned macroscopic characteristics of the spray. This Ph.D. thesis study deals with the cavitation modelling to consider its impact on the atomization process, especially in the framework of the diesel injection.
The ELSA model provides both Lagrangian description of the dilute part of the spray and above all an Eulerian description of the dense zone of the spray, which is useful to study the interactions between the nozzle flow and the spray formation. That is why this model has been selected to be extended to the cavitation consideration The developed model is based on two versions : complete and simplified version of this Rayleigh-Plesset equation. The influence of each of the terms considered in it has been studied on a realistic case of Diesel injection.
The cavitation modelling, adapted to high pressure injection applications and associated with the dense zone approach developed in the ELSA model, provide an innovative modelling of the diesel injection flows. The introduced approaches have been tested on an academic configuration whose the nozzle flow as well as the spray have been characterized.

Modélisation de la cavitation et de son impact sur l’atomisation dans le cadre de l’injection Diesel

La simulation de la combustion est aujourd’hui une étape indispensable dans les processus de conception et de mise au point des moteurs à combustion interne mais requiert de connaître les caractéristiques macroscopiques du spray (angle, longueur de pénétration, répartition des tailles de goutte), notamment dans le cadre des moteurs Diesel à injection directe. De précédentes études ont montré que le phénomène de cavitation, très présent dans l’injection Diesel haute pression, modifie les caractéristiques macroscopiques du spray. Le travail effectué durant cette thèse s’articule autour de la modélisation de la cavitation et de son impact sur l’atomisation dans le cadre de l’injection Diesel.
Le modèle ELSA fournit à la fois une expression Lagrangienne de la zone diluée du spray (fournissant les données nécessaires aux calculs de combustion) mais surtout une expression Eulérienne de la zone dense du spray, permettant l’observation des interactions entre l’écoulement interne de l’injecteur et le développement du spray. C’est pourquoi ce modèle a été choisi pour cette étude et développé de manière à prendre en compte le phénomène de cavitation.
Le modèle de cavitation ici développé est basé sur l’équation de Rayleigh-Plesset. L’impact des phénomènes pris en compte dans cette équation a été préalablement étudié sur un cas réaliste d’injection Diesel haute pression.
Finalement, la combinaison d’un modèle de cavitation, adapté aux configurations d’injection Diesel, et de l’approche ELSA pour représenter les zones denses diphasiques, permet d’obtenir une modélisation innovante de l’injection et de la cavitation. Les approches proposées sont testées sur une configuration académique dont l’écoulement interne ainsi que le spray ont été caractérisés.

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