Atomization modeling of liquid jets using an Eulerian-Eulerian model and a surface density approach

par Bejoy Mandumpala devassy

Thèse de doctorat en Mécanique et Physique des Fluides

Sous la direction de Eric Daniel et de Chawki Habchi.

Le président du jury était Roland Borghi.

Les rapporteurs étaient Marcus Herrmann.

  • Titre traduit

    Modélisation de l'atomisation des jets liquides avec un modèle Eulérien-Eulérien et une approche de densité de surface


  • Résumé

    Dans les moteurs à combustion interne, l'injection de carburant est une phase essentielle pour la préparation du mélange et la combustion. En effet, la structure du jet liquide joue un rôle essentiel pour la qualité du mélange du combustible avec le gaz. Le présent travail porte sur les phénomènes d'atomisation de jet liquides dans les conditions opératoires des moteurs diesel. Dans ces conditions, la morphologie du jet liquide comprend une phase liquide séparée (c'est à dire un noyau liquide) et une phase liquide dispersée (c'est à dire un spray). Ce manuscrit décrit les étapes de développement d'un nouveau modèle d'atomisation, pour un jet liquide à grande vitesse, basée sur une approche eulérienne diphasique. Le phénomène d'atomisation est modélisée par des équations définissant une densité de surface pour le noyau liquide en plus de celle des gouttelettes du spray. Ce nouveau modèle a été couplé avec un système d'équations diphasique et turbulent de type Baer-Nunziato. Le processus de rupture des ligaments et son éclatement subséquent en gouttelettes sont modélisés en utilisant des connaissances rassemblées à partir des expériences disponibles et des simulations numériques précises. Dans la région dense du jet de liquide, l'atomisation primaire est modélisée comme un processus de dispersion en raison de l'étirement turbulent de l'interface, à partir du côté du liquide en plus du côté du gaz. Différents cas tests académiques ont été effectués afin de vérifier la mise en œuvre numérique du modèle dans le code IFP-C3D. Enfin, le modèle est validé avec les résultats DNS récemment publiés dans des conditions typiques de moteurs Diesel à injection directe.


  • Résumé

    In internal combustion engines, the liquid fuel injection is an essential step for the air/fuel mixture preparation and the combustion process. Indeed, the structure of the liquid jet coming out from the injector plays a key role in the proper mixing of the fuel with the gas in the combustion chamber. The present work focuses on the liquid jet atomization phenomena under Diesel engine conditions. Under these conditions, liquid jet morphology includes a separate liquid phase (i.e. a liquid core) and a dispersed liquid phase (i.e. a spray). This manuscript describes the development stages of a new atomization model, for a high speed liquid jet, based on an eulerian two-phase approach. The atomization phenomenon is modeled by defining different surface density equations, for the liquid core and the spray droplets. This new model has been coupled with a turbulent two-phase system of equations of Baer-Nunziato type. The process of ligament breakup and its subsequent breakup into droplets are handled with respect to available experiments and high fidelity numerical simulations. In the dense region of the liquid jet, the atomization is modeled as a dispersion process due to the turbulent stretching of the interface, from the side of liquid in addition to the gas side. Different academic test cases have been performed in order to verify the numerical implementation of the model in the IFP-C3D software. Finally, the model is validated with the recently published DNS results under typical conditions of direct injection Diesel engines.


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