High injection pressure Diesel jet in near and far from the nozzle : image processing analysis
Jet Diesel haute presssion en champ proche et lointain : Etude par imagerie
Résumé
The aim of the experimental study presented in this thesis is to improve the understanding of the atomization processes involved in a high injection pressure Diesel jet (up to 100 MPa, direct injection). The real Diesel jet structure and the processes involved are not yet fully understood. The great variety of models found in the literature confirms this state of affairs. This lack of knowledge is due to the difficulty of analyzing the Diesel jet caused by its optical density and the size of its characteristic scales of time (»1 ms) and space (»100 µm). During the work carried out for this thesis, new diagnostics based on image processing have been developed in order to analyze the phenomena occurring in the nozzle near field (first millimeters of the jet) and in the far field (spray formed at a long distance from the nozzle). Using several tomographic configurations with an unfocused imaging system, coupled with a shadowgraph imaging setup it was possible to observe, in the near field, cylindrical cavitation pockets located near the jet interface and to drawn a new model of the Diesel jet's internal structure. An entropic calculation applied to three-state-pictures (continuous liquid phase, dispersed liquid phase and gaseous phase) allows us to observe the evolution of a surface linked to the primary atomization. The morphological statistical analysis of the continuous liquid phase interface also enables us to describe the ligament detachment of the dense liquid jet as a function of the injection time and pressure. An image-based sizing method was also developed and applied to the far field study. This takes into account the out-of-focus phenomena in order to locate the droplets in space. It also permits a morphological characterization of the droplets. The characteristic diameters of the spray decrease with the radial distance but during the quasi steady part of the injection are not very dependent either on the injection pressure or on time. On the other hand, we observed a time and injection pressure dependence of the droplet morphology.
L'étude expérimentale présentée dans ce mémoire a pour but d'améliorer la compréhension des processus d'atomisation du jet Diesel à haute pression d'injection (jusqu'à 100 MPa), en injection directe. En effet, la structure réelle du jet Diesel ainsi que les processus qui conduisent à son atomisation ne sont pas encore réellement connus. La variété des modèles rencontrés dans la littérature témoigne de cet état de fait. Cette méconnaissance résulte de la difficulté à diagnostiquer le jet Diesel, qui est particulièrement dense optiquement et dont les échelles caractéristiques de temps (»1 ms) et d'espace (»100 µm) sont réduites. Dans le cadre de ce travail de thèse, de nouveaux diagnostics basés sur le traitement d'images ont été développés pour analyser les phénomènes se produisant en champ proche (premiers millimètres du jet) et en champ lointain (spray formé au loin de l'injecteur). L'utilisation de différentes configurations tomographiques en imagerie défocalisée, couplées à un dispositif d'imagerie par transmission, permet d'observer, en champ proche, des poches cylindriques de cavitation réparties à proximité de l'interface. Un nouveau modèle de la structure interne du jet Diesel est ainsi proposé. Une analyse entropique reposant sur une série d'images sur lesquelles trois états physiques sont distingués (jet dense, phase liquide dispersée et phase gazeuse) permet la description de l'évolution d'une « surface d'atomisation primaire » le long du jet Diesel. Une analyse morphologique statistique de l'interface du jet permet une description du détachement ligamentaire du jet dense, en fonction du temps et de la pression d'injection. Un granulomètre a également été développé et appliqué à l'analyse du champ lointain. Ce granulomètre prend en compte les phénomènes de défaut de mise au point pour localiser spatialement les gouttes. Il autorise également une caractérisation morphologique des gouttes. L'application de ces diagnostics montre une diminution radiale des diamètres caractéristiques du spray présentant, par ailleurs, une faible dépendance à la pression d'injection et à l'instant de l'analyse, pendant la phase stationnaire de l'injection. En revanche, on observe une variation du comportement morphologique des gouttes dans le temps et avec la pression d'injection.
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