Experimental and numerical investigation of two-phase flows in the cowl box of an automotive vehicle
Etude expérimentale et numérique des écoulements diphasiques dans la boîte à eau d’un véhicule automobile
Résumé
This thesis aims to improve the performance of the cowl box in automotive vehicles ; a system dedicated to draining rainwater and providing clean and dry air to the passenger compartment. This work places emphasis on the bathtub vortex phenomenon which leads to decreased drain rate and increased water level in the box. This increase can cause a variety of issues from passenger discomfort to the breakdown of the heating, ventilation and air conditioning unit. An experimental study of the flow was firstly conducted on a simplified geometry. Particle Image Velocimetry (PIV) and capacitive probe for water level measurement have been applied to study the flow structure. In addition, an image processing algorithm has been developped to measure the size of the air core with a fast camera. It enables to study the vortex structure and demonstrates that there is an interaction between the vortex and airflow intended for the ventilation of the passenger compartment. This interaction is caused by the depression created by the airflow which temporarily modifies the vortex structure and leads to a new equilibrium state at a lower water level. A device that allows the efficient reduction of the water level by modifying the upstream flow has also been studied. This device has been patented. Following the experimental aspect of the study, numerical simulations were generated using the OpenFOAM software package. Simulations qualitatively reproduce the flow which had been experimentally observed. Despite the difference on the water level, the size and position of the air core is correctly simulated. Simulation also demonstrates the existence of an airflow sucked through the drain in the air core. Lastly, the experimental and numerical results were compared to various vortex models existing in the literature.
Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d’un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l’eau de pluie et à alimenter l’habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d’évacuation et d’augmenter le niveau d’eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l’inconfort pour les occupants du véhicule jusqu’à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l’écoulement est d’abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d’images obtenues par caméra rapide, un algorithme d’analyse d’images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d’air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d’étudier la structure du tourbillon et montrent qu’il existe une interaction entre le tourbillon et l’écoulement d’air destiné à la ventilation de l’habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l’écoulement d’air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d’équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d’eau en modifiant l’écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l’objet d’un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l’aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l’écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d’eau, les dimensions et la position du noyau d’air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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