Modélisation de la rupture, du changement de phase et du mélange d'un jet de double carburant

La récente législation stricte sur les émissions pose de nouveaux défis à l'utilisation continue des moteurs à combustion interne à moteur diesel en raison de leurs émissions de dioxyde de carbone et de la pollution urbaine, qui accélèrent le changement climatique et sont liées à de graves problèmes de santé, respectivement. Les moteurs à combustion interne à double carburant (DFICE) utilisant des carburants renouvelables alternatifs font partie des concepts prometteurs pour réduire les émissions de polluants dans les applications où l'électrification n'est pas considérée comme une solution réalisable au problème des émissions, comme les cargos et les camions lourds. La conception efficace des équipements d'injection de carburant (FIE) est considérée comme une priorité essentielle pour le développement industriel des DFICE. Ainsi, des outils de conception et de simulation avancés sont nécessaires pour obtenir de meilleures conceptions de tels systèmes à double carburant. En conséquence, l'objectif principal de la thèse actuelle est de développer un modèle CFD prédictif et efficace pour les simulations d'écoulements diphasiques multi-composants dans le contexte de DFICE utilisant des carburants renouvelables tels que le méthanol ou l'ammoniac sous différentes conditions thermodynamiques (sous- et super-critiques), permettant une transition automatique/en douceur entre ces régimes qui peuvent coexister pendant les événements d'injection et de mélange de carburant. Plus précisément, les travaux en cours proposent un modèle de fluide réel (RFM) diphasique multi-composants entièrement compressible avec une interface diffusée et fermé par une méthode de tabulation d'équilibre thermodynamique basée sur diverses équations d'état de fluide réel (EoSs). L'approche de tabulation thermodynamique des fluides réels proposée peut en outre gérer les systèmes ternaires en plus des systèmes binaires. La table thermodynamique est générée à l'aide de la bibliothèque thermodynamique interne Carnot, qui effectue le calcul de l'équilibre vapeur-liquide (VLE) à l'aide d'un flash robuste isotherme-isobare (TPn) couplé à divers EoS à fluide réel. Le modèle proposé est d'abord appliqué pour étudier les processus de changement de phase et de mélange d'une seule gouttelette de n-dodécane dans un environnement bi-composant composé d'azote et de méthanol à haute pression, imitant une configuration bi-carburant à l'aide de simulations hautement résolues. Ensuite, pour traiter l'injection de carburant à haute pression, un modèle d'atomisation de fluide réel est proposé, dans lequel le modèle RFM est couplé à un modèle de sous-maille (SGS), utilisant une approche de densité de surface pour modéliser l'atomisation du carburant dans le cadre LES. L'injecteur Engine Combustion Network (ECN) Spray A est utilisé comme référence pour la validation du modèle proposé. Les résultats numériques obtenus ont montré un bon accord avec les différentes données expérimentales ECN. En outre, une variation paramétrique des conditions ECN Spray A a montré la capacité du modèle RFM à bien prédire les variations expérimentales des caractéristiques de spray. Suite à la validation du modèle, la condition de référence ECN Spray A est étudiée dans une configuration bi-carburant (DF) utilisant du méthanol comme carburant principal. Enfin, la modélisation de la cavitation à l'aide du modèle RFM est étudiée dans deux configurations différentes, dont un injecteur transparent utilisant de l'eau et un injecteur industriel utilisant de l'ammoniac. Il a été démontré que le modèle est capable de prédire dynamiquement le processus de transition de phase dans différentes conditions de fonctionnement.The recent stringent emissions legislation poses new challenges to the continued use of diesel-powered internal combustion engines due to their carbon dioxide emissions and urban pollution, which accelerate climate change and are linked to severe health problems, respectively. Dual-fuel internal combustion engines (DFICE) using alternative renewable fuels are among the promising concepts for reducing pollutant emissions in applications where electrification is not considered a feasible solution to the emissions problem, such as cargo ships and heavy-duty trucks. The effective design of the fuel injection equipment (FIE) is considered a key priority for the industrial development of the DFICEs. Thus, advanced design and simulation tools are required to achieve better designs of such dual-fuel systems. Accordingly, the main objective of the current thesis is to develop a predictive and efficient CFD model for multi-component two-phase flow simulations in the context of DFICE employing renewable fuels such as methanol or ammonia under different thermodynamic (sub- and super-critical) regimes, allowing an automatic/smooth transition between these regimes that can coexist during the fuel injection and mixing events. More specifically, the current work proposes a fully compressible multi-component two-phase real-fluid model (RFM) with a diffused interface and closed by a thermodynamic equilibrium tabulation method based on various real-fluid equations of state (EoSs). The proposed real-fluid thermodynamic tabulation approach can further handle ternary systems in addition to binary systems. The thermodynamic table is generated using the in-house Carnot thermodynamic library, which performs the vapor-liquid equilibrium (VLE) calculation using a robust isothermal-isobaric (TPn) flash coupled to various real-fluid EoSs. The proposed model is first applied to investigate the phase change and mixing processes of a single n-dodecane droplet in a bi-component environment composed of nitrogen and methanol at high pressure, mimicking a dual-fuel configuration using highly resolved simulations. Next, to address high-pressure fuel injection, a real fluid atomization model is proposed, in which the RFM model is coupled to a subgrid-scale (SGS) model, employing a surface density approach to model fuel atomization within the LES framework. The Engine Combustion Network (ECN) Spray A injector is used as a reference for the proposed model validation. The obtained numerical results have shown good agreement with the various ECN experimental data. Besides, a parametric variation of the ECN Spray A conditions has shown the capability of the RFM model to well predict the experimental variations of the spray characteristics. Following the model validation, the ECN Spray A baseline condition is investigated in a dual-fuel (DF) configuration using methanol as a primary fuel. Finally, the cavitation modeling using the RFM model is investigated in two different configurations, including a transparent injector using water and an industrial injector using ammonia. It has been demonstrated that the model is able to dynamically predict the phase transition process under different operating conditions