Development of multi-component evaporation models and 3D modeling of NOx-SCR reduction system

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles numériques afin de simuler les processus physico-chimiques dans la chambre de combustion ainsi que dans le système de post-traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Dans la première partie de cette thèse, deux nouveaux modèles d'évaporation de gouttelettes et de film liquide multi-composants sont proposés. Dans le modèle d'évaporation des gouttelettes, une nouvelle expression du débit d'évaporation a été proposée. Il a été montré que la prise en compte du flux de chaleur dû à la diffusion d'enthalpie des espèces est primordiale dans le bilan d'énergie à l'interface de la goutte. De plus, les investigations numériques ont montré l'importance de la prise en compte d'une équation d'état de gaz réel dans les conditions de hautes pressions et / ou de basses températures ambiantes. Un modèle d'évaporation multi-composant de film liquide a ensuite été développé sur la base du modèle d'évaporation de film mono-composant déjà mis en oeuvre dans le code industriel IFP-C3D. En particulier, les lois de paroi ont été généralisées pour l'évaporation du film multi-composant de manière similaire au modèle de l'évaporation des gouttelettes. Il a été montré l'importance de la température de la paroi dans le processus d'évaporation d'un film liquide. Contrairement à l'évaporation des gouttes, les investigations numériques effectuées ont montré que l'utilisation d'une équation d'état de gaz parfait conduit à des résultats proches de ceux qui sont obtenus en utilisant une équation d'état de gaz réel. Ceci se traduit par un gain en temps de calculs important. La deuxième partie de la thèse utilise les modèles d'évaporation, développés dans la première partie de la thèse, avec un nouveau modèle de thermolyse développé afin de produire de l'ammoniac nécessaire pour le système SCR. Dans la présente étude, l'ammoniac est produit à partir de la solution aqueuse d'urée injectée dans la ligne de tuyau d'échappement. L'eau s'évapore et l'urée se décompose en ammoniac nécessaire pour le système SCR. L'évaporation de l'eau est modélisée avec les modèles d'évaporation proposés dans la première partie de cette thèse, avec quelques modifications afin de prendre en compte l'influence de l'urée sur l'évaporation de l'eau. Un nouveau modèle de thermolyse multi-étape pour l'urée a été ensuite implanté dans IFP- 3D afin de simuler la distribution de l'ammoniac gazeux à l'entrée de système de dépollution SCR. Ce modèle est également capable de simuler la formation de sous- roduits (dépôt solide) de la thermolyse d'urée. Les résultats numériques des modèles développés ont permis de montrer le potentiel des développements réalisés au cours de ce travail dans le cadre d'applications industrielles.The aim of the present thesis is to develop a set of numerical models in order to simulate the physical and chemical processes in combustion chamber as well as in exhaust gas after-treatment system of internal combustion engines. In the first part of the thesis, two new multi- omponent evaporation models for droplet and liquid film are proposed. In the droplet evaporation model, a new expression of the evaporation rate has been proposed. It has been shown that taking into account the heat flux due to the enthalpy diffusion of species is of primary significance in the energy balance at the droplet surface. In addition, numerical investigations have shown the importance of considering a real gas equation of state in the high pressure and/or low temperature conditions. A multi-component liquid film evaporation model has then been developed based on the single-component film evaporation model already implemented in IFP-C3D code. Particularly, the wall laws have been generalized for the multi-component film evaporation taking into account the mentioned features applied to the droplet evaporation model. The importance of surface temperature in the evaporation of liquid film has also been shown. Contrary to the droplet evaporation, the numerical investigations on film evaporation have shown that using an ideal mixture equation of state leads to results similar to those obtained using a real gas equation of state. The second part of the thesis uses the evaporation models, developed in the first part of the thesis, along with a new developed thermolysis model in order to produce the ammonia needed for the SCR system. In the present study, ammonia is produced from the urea-water solution injected into the exhaust pipe line. Water evaporates and urea decomposes to ammonia needed for SCR system. The evaporation of water is modeled with the proposed evaporation models in the first part of the present thesis with some modifications in order to take into account the influence of urea on the water evaporation. New multi-step thermolysis model for urea is then implemented in the IFP-C3D code in order to simulate the distribution of gaseous ammonia at the entrance of SCR system. The present model is also able to simulate the formation of solid by-products from urea thermolysis. The numerical results of the developed models allow us to assess the contribution of the developments made during this work in the context of industrial applications