DNS and modeling of the turbulent boundary layer over an evaporating liquid film

In this paper, Direct Numercial Simulation (DNS) is used to study the boundary layer above an evaporating liquid film in the fully developed turbulent channel flow configuration. First, the numerical results of an isothermal flow are compared to the reference results of Kim et al. [1] to check the validity and the accuracy of the present approach. Next, the calculations are repeated for an anisothermal case where hot gas is flowing between cold walls. The numerical results corroborate those of Nicoud [2] and Huang & Coleman [3], introducing modified dimensionless variables. Finally, an evaporating liquid film is added at the walls. The complexity of the interaction between the evaporation process and the boundary layer structure, as well as its strong dependence on the transient thermophysical properties of the mixture are highlighted. As in the anisothermal case, the classical wall units are no longer adapted to build wall functions and new dimensionless variables are proposed. In addition a wall function must be developed for the evaporating species mass fraction, using a new dimensionless wall variable. It is shown that using these new variables allows to derive new wall functions for momentum, temperature and mass that lead to a correct description of the boundary layer when compared to DNS. These new wall functions may be directly implemented in CFD codes to take into account the impact of an evaporating liquid film

Etude numérique de la propagation d'une flamme sous l'influence d'un film liquide de carburant sur la paroi

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié l'interaction flamme-film liquide à l'aide d'analyses numériques et de nombreux développements théoriques. L'objectif est de maîtriser les mécanismes de base qui entrent en jeu lors de l'interaction de la flamme avec un film liquide, en particulier son évaporation à l'approche de la flamme et son impact sur la structure de cette dernière. Dans un premier temps, nous avons effectué des simulations numériques directes (DNS) de cette interaction en régime laminaire afin de cerner ses mécanismes fondamentaux. L'analyse des résultats à permis de mettre en évidence que l'interaction flamme-paroi avec film liquide est gouvernée par son évaporation contrairement à l'interaction flamme-paroi sèche qui est pilotée par les pertes thermiques dans la paroi. En effet, en régime laminaire la flamme s'éteint à cause des richesses trop élevées qu'elle rencontre et non pas à cause des pertes thermiques. Nous avons également montré que les distances de coincement sont beaucoup plus grandes que pour l'interaction flamme paroi sèche et que la cinétique chimique a peu d'influence sur l'interaction flamme film liquide. Dans une seconde partie, nous avons donc travaillé sur l'étude des mécanismes de l'évaporation d'un film liquide. Pour ce faire, nous avons tout d'abord mis en évidence l'importance des propriétés thermodynamiques (qui évoluent avec la composition du mélange) sur la modélisation de l'évaporation. Par la suite, les modèles de film liquide développés pour effectuer les simulations numériques directes d'interaction flamme-film liquide en régime laminaire ont été validés. Ces modèles ont ainsi pu servir de base pour étudier l'évaporation d'un film liquide en régime turbulent en effectuant des simulations numériques directes tridimensionnelles en canal périodique. Nous avons ainsi mis en évidence le changement de structure de la couche limite turbulente lorsque celle-ci subit l'influence conjuguée de forts gradients de densité et de viscosité et de la vitesse de Stephan engendrée par l'évaporation d'un film liquide. En particulier, il a été montré que l'évaporation souffle la couche limite et réduit ainsi les flux thermiques et la contrainte de cisaillement à la surface du film liquide. Ces observations ont permis de développer de nouvelles lois de paroi valables pour une gamme étendue de vitesse d'évaporation et de gradients de densité et de viscosité. Dans une troisième partie, un modèle d'évaporation de film liquide mono composant a été développé pour le formalisme RANS (Reynolds Average Navier Stokes) en intégrant au maximum les contraintes liés aux moteurs automobiles. Les équations du modèle sont basées sur les lois de paroi développées puis ajustées avec la DNS. Les phases transitoires de la thermique dans le film liquide sont également prises en compte. Par ailleurs, ce modèle a été implanté dans le code de calcul IFP-C3D en utilisant une méthodologie innovante d'intégration des lois de paroi. Cette méthodologie consiste à garantir la conservation de la masse et de l'énergie présente dans une maille paroi lorsque les profils de fraction massique de fuel et de température fournis par les lois de parois sont intégrés. Enfin, le modèle a été partiellement validé en montrant un très bon accord avec les résultats de DNS. Dans une quatrième partie, un modèle d'interaction d'une flamme de prémélange avec un film liquide a été développé en calculant une vitesse de consommation moyenne de flamme qui tient à la fois compte des pertes thermiques éventuelles de la flamme dans le film liquide et du profil de richesse dans la couche limite située au-dessus du film liquide. Enfin, dans la dernière partie, une étude paramétrique d'un moteur essence et d'un moteur diesel a été effectuée avec le code de calcul IFP-C3D. Elle a confirmé que la température de paroi est un paramètre déterminant sur la formation et l'évaporation du film liquide et donc les émissions d'hydrocarbures imbrûlés (HC). Plus cette température est grande, plus le film liquide s'évapore rapidement. Cela montre qu'il est donc nécessaire de connaître avec précision le champ de température sur la surface interne de la chambre de combustion afin d'assurer une précision optimale des résultats des calculs. Cette étude a également permis de mettre en évidence l'existence d'une flamme de diffusion alimentée par l'évaporation du film liquide lors de la détente. Enfin, la comparaison des courbes de pression entre les calculs et un moteur ayant tourné au banc montre que le modèle d'évaporation de film liquide développé au cours de cette thèse améliore la prédiction des résultats. ABSTRACT : During the PhD tesis, we studied the liquid film-flame interaction using numerical analyses and many theoritical developments. The aim is to understand the basic mechanisms witch govern the interaction of the flame with a liquid film, especially the evaporation of the film when the flame approaches and its impact on the structure of the flame. First, we carried out DNS of this interaction in laminar flow in order to discover its fundamental mechanisms. Second, we studied the mechanisms of the evaporation of a liquid film. Third, a mono component liquid film evaporation model was developed for the RANS formalism by integrating the constraints related to the automobile engines. Finally, a parametric study of a gasoline engine and a diesel engine was carried out with the computational code IFP-C3

Étude numérique de la propagation d'une flamme sous influence d'un film liquide de carburant sur la paroi

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié l'interaction flamme-film liquide à l'aide d'analyses numériques et de nombreux développements théoriques. L'objectif est de maîtriser les mécanismes de base qui entrent en jeu lors de l'interaction de la flamme avec un film liquide, en particulier son évaporation à l'approche de la flamme et son impact sur la structure de cette dernière. Dans un premier temps, nous avons effectué des simulations numériques directes (DNS) de cette interaction en régime laminaire afin de cerner ses mécanismes fondamentaux. Dans une seconde partie, nous avons travaillé sur l'étude des mécanismes de l'évaporation d'un film liquide. Dans une troisième partie, un modèle d'évaporation de film liquide mono composant a été développé pour le formalisme RANS (Reynolds Average Navier Stokes) en intégrant au maximum les contraintes liés aux moteurs automobiles. Enfin, dans la dernière partie, une étude paramétrique d'un moteur essence et d'un moteur diesel a été effectuée avec le code de calcul IFP-C3D.During the PhD tesis, we studied the liquid film-flame interaction using numerical analyses and many theoritical developments. The aim is to understand the basic mechanisms witch govern the interaction of the flame with a liquid film, especially the evaporation of the film when the flame approaches and its impact on the structure of the flame. First, we carried out DNS of this interaction in laminar flow in order to discover its fundamental mechanisms. Second, we studied the mechanisms of the evaporation of a liquid film. Third, a mono component liquid film evaporation model was developed for the RANS formalism by integrating the constraints related to the automobile engines. Finally, a parametric study of a gasoline engine and a diesel engine was carried out with the computational code IFP-C3DTOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF