RANS and LES of multi-hole sprays for the mixture formation in piston engines
Résumé
Over the years numerical modelling and simulation techniques have constantly been improved with the increase in their use. While keeping the computational resources in mind, numerical simulations are usually adapted to the required degree of accuracy and quality of results. The conventional Reynolds Average Navier Stokes (RANS) is a robust, cheap but less accurate approach. Large Eddy Simulation (LES) provides very detailed and accurate results to the some of the most complex turbulence cases but at higher computational cost. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is although the most accurate of the three approaches but at the same time it is computationally very expensive which makes it very difficult to be applied to the most of the complex industrial problems. The current work is aimed to develop a deeper understanding of multi-hole Gasoline Direct Injection (GDI) sprays which pose many complexities such as; air entrainment in the multi-hole spray cone, Jet-to-Jet interactions, and changes in the spray dynamics due to the internal flow of the injector. RANS approach is used to study multi-hole injector under cold, hot and superheated conditions. Whereas, LES is utilized to investigate the changes in the dynamics of the single spray plume due to the internal flow of the GDI injector. To reduce computational cost of the simulations, dynamic mesh refinement has been incorporated for both LES and RANS simulation. A thorough investigation of air entrainment in three and six hole GDI injectors has been carried out using RANS approach under non superheated and superheated conditions. The inter plume interactions caused by the air entrainment effects have been analysed and compared to the experimental results. Moreover, the tendencies of semi collapse and full collapse of multi-hole sprays under non superheated and superheated conditions have been investigated in detail as well. A methodology of LES has been established using different injection strategies along with various subgrid scale models for a single spray plume. In GDI multi-hole sprays, the internal flow of the injector plays a very crucial role in the outcome the spray plume. A separate already available internal flow LES simulation of the injector has been coupled with the external spray simulation in order to include the effect of nozzle geometry and the cavitation phenomenon which completely change the dynamics of the spray.
Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (" sprays ") sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d'un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d'air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d'un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d'injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d'un modèle de spray par l'approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d'échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d'injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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