Développement et validation d'un modèle eulérien en vue de la simulation des jets de carburants dans les moteurs à combustion interne

Abstract

L'objectif de ce travail est de développer un modèle diphasique eulérien permettant de mieux prédire les jets de carburant dans les moteurs à combustion interne, en particulier la zone dense près des injecteurs. En effet, les modèles lagrangiens utilisés traditionnellement ne sont valables que pour des écoulements dispersés à faible fraction volumique de liquide, ce qui est incompatible avec les technologies moteurs actuelles utilisant une injection directe de carburant dans la chambre de combustion. Plusieurs approches eulériennes sont disponibles dans la littérature. Les phénomènes physiques se déroulant près de l'injecteur et les caractéristiques de chacune des approches ont permis de retenir un modèle à deux fluides et deux pressions. La dérivation du modèle a fait apparaître de nombreux termes ouverts : échanges entre phases et correlations turbulentes. Des fermetures ont été proposées pour chacun de ces termes. La fermeture des termes d'échanges utilise l'hypothèse de gouttes sphériques, tandis qu'une approche RANS est adoptée pour la modélisation des phénomènes turbulents. Ce modèle a été implanté dans le code de calcul 3D de l'IFP, IFP-C3D. De nombreux tests numériques et de nombreuses validations analytiques (monophasiques et diphasiques) ont ensuite été réalisés afin de s'assurer de l'implantation correcte des équations et de la prédictivité du modèle et des fermetures adoptées. D'autre part, les modifications du modèle de turbulence dans la phase gazeuse ont nécessité des validations supplémentaires aussi bien dans le gaz (écoulement derrière une marche) que dans le liquide (jet cylindrique) avant une validation du modèle complet sur une couche de mélange diphasique. Enfin, des tests d'injection ont été réalisés dans des conditions similaires à celles des moteurs dans l'objectif de s'assurer de la faisabilité des calculs moteurs à l'aide de l'approche eulérienne développée d'une part, et de la compatibilité du modèle avec le calcul moteur (prise en compte de mouvement de parois : piston, soupapes) d'autre part. ABSTRACT : The objective of this work is to develop an eulerian two phase model to improve the prediction of fuel injection in internal combustion engines, particularly the dense liquid zone close to the nozzle. Lagrangian models, usually used in engine simulations, are based on the assumption of dispersed two phase flows with low liquid volume fraction, which is not fulfilled in the case of direct injection engine technology. Different eulerian approaches are available in the literature. Physical phenomena that occur near the nozzle and characteristics of each model lead to the choice of a two fluids two pressures model. Several open terms appear in the equations of the model : exchange between the two phases and turbulent correlations. Closures of exchange terms are based on the spherical droplets hypothesis while a RANS approach is adopted to close turbulent correlations. This model has been integrated in the IFP CFD code, IFP-C3D. Several numerical tests and analytical validations (for single and two phase flows) have been then carried out in order to check the correct implementation of equations and the predictivity of the model and closures. Modifications in the turbulent model of the gas have required validations in both the gas phase (flow behind a sudden enlargement) and the liquid phase (pure liquid injection). A two phase mixing layer has been then used to validate the whole model. Finally, injection tests have been achieved under realistic conditions (similar to those encountered in automotive engines) in order to check the feasibility of engine computations using the developed eulerian approach. These tests have also allowed to check the compatibility of this approach with the specificities of engine simulations (especially mesh movement)