Modélisation Eulérienne de l'Atomisation Haute Pression - Influences sur la Vaporisation et la Combustion Induite

Nowadays, environmental and economic constraints force the car manufacturers to reduce the consumption and the pollutant emissions of Diesel engines. To improve these engines, it is necessary to precisely understand the physical phenomena that occur in the combustion chamber and more specifically the injection process. A way of analysis and optimization is the numerical simulation and the modeling. After having detailed the physical characteristics of the sprays, the existing models for the atomization process and their limitations, an innovating model is presented: the ELSA model (for Eulerian - Lagrangian Spray Atomization). It takes into account the flow in the dense zone of the spray and deals with the atomization phenomenon from inside the injector to the dilute part of the spray. Two main physical properties are evaluated thanks to transport equations: the mean liquid mass fraction and the mean liquid/gas interface density per unit of mass. In both equations, a turbulent flux term is unclosed. A coupling method between eulerian and lagrangian formalisms is proposed in order to close this term. Moreover, taking into account the physical phenomena that influence the liquid/gas interface density, a transport equation for this quantity is presented. Finally, heat and mass transfers are taken into account and integrated in the ELSA model, thanks to transport equations for the mean vapour mass fraction and the mean liquid enthalpy per unit of mass. Validation cases are presented as comparative studies: in the dense zone of the spray thanks to data obtained via a direct numerical simulation and as a more macroscopic point of view thanks to liquid and vapour penetrations in Diesel conditions or lift-off distances in a case of steady state combustion of a liquid spray.Les contraintes actuelles, écologiques et économiques, imposent aux constructeurs automobiles de réduire la consommation et les émissions polluantes des moteurs Diesel. Pour améliorer ces derniers, il faut comprendre finement les phénomènes physiques mis en jeu et en particulier l'injection du carburant dans la chambre de combustion. Une voie d'analyse de la physique et d'optimisation des moteurs Diesel à injection directe est la simulation numérique et plus particulièrement la modélisation. Après avoir détaillé les caractéristiques physiques des sprays, les modélisations existantes du processus d'atomisation ainsi que leurs limitations, un modèle innovant est présenté : le modèle ELSA (pour Euler - Lagrange pour les Sprays et l'Atomisation). Il prend en compte l'écoulement dans la zone dense du spray et traite le phénomène d'atomisation depuis l'intérieur de l'injecteur jusque dans la zone diluée du spray. Les équations fondamentales de ce modèle sont l'équation de transport de la fraction massique moyenne de liquide et l'équation de transport de la densité massique moyenne d'interface liquide/gaz. Dans ces deux équations apparaît un terme de flux turbulent non fermé. Une méthode de couplage des formalismes eulérien et lagrangien est proposée pour sa fermeture. De plus, en prenant en compte chacun des phénomènes physiques agissant sur la quantité d'aire interfaciale liquide/gaz, des évolutions sur la fermeture de cette équation de transport sont apportées. Enfin, les échanges thermique et massique entre les phases liquide et gaz sont intégrés au modèle ELSA à l'aide de deux équations de transport : une pour la fraction massique de vapeur et une pour l'enthalpie massique de la phase liquide. Des cas de validations sont présentés, concernant tout d'abord une étude comparative en zone dense du jet avec des données issues d'une simulation numérique directe puis à l'aide de données expérimentales macroscopiques comme les pénétrations liquide et vapeur pour un spray vaporisant ou le positionnement de flamme dans le cas d'une combustion diphasique en régime stationnaire