[PDF] Analyse des écoulements transitoires dans les systèmes dinjection

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THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

Spécialité : ENERGETIQUE ET TRANSFERTS

par

Guillaume DELAY

ANALYSE DES ECOULEMENTS TRANSITOIRES

DANS LES SYSTEMES D'INJECTION DIRECTE ESSENCE

EFFETS SUR L'ENTRAINEMENT D'AIR

INSTATIONNAIRE DU SPRAY

Soutenue le 23 mars 2005 devant le jury composé de : MM.

BAZILE Rudy

Codirecteur, IMF Toulouse

BOREE Jacques

Membre, LEA Poitiers

BRENN Günter

Rapporteur, Université de Graz

CHARNAY Georges

Codirecteur, IMF Toulouse

DUM

OUCHEL Christophe

Invité, CORIA Rouen

DURST Bodo

Invité, BMW Münich

RIETHMULLER Michel

Rapporteur, VKI Rhode S

t Genèse

NUGLISCH Hans Joachim

Membre, Siemens

VDO Toulouse

WIGLEY

Graham

Invité, Université de Loughborough

A, et surtout avec toi, Claire

Ji Ta Kyô Ei - Amitié et entraide mutuelle

Maître Jigoro Kano, fondateur du Judo (186

0 1938)

REMERCIEMENTS

Tout cours de combustion qui se respecte contiendra le fameux concept de triangle du feu. Ce dernier précise que toute combustion nécessite une éner gie d'activation, un combustible et un comburant et afin de dégager par la suite de l'é nergie. Il en va de même pour ce travail qui n'aurait pu être réalisé sans la présenc e et la personnalité de trois personnes que je tiens à remercier très sincèrement. Jacques Borée, enseignant passionné, passionnant et insatiable che rcheur, est l'étincelle de ce trio. Il m'a tout d'abord fait découvrir la mécanique des flui des au début de mes études et a ensuite était l'initiateur du programme de rech erche de ma thèse. Bien que nos chemins se soient séparés très tôt, ses remarques et questions ont toujours été judicieuses et sources de nombreuses réflexions. Hans Joachim Nuglisch, qui apporte au quotidien la démonstration que compréhension physique et milieu industriel ne sont pas antinomiques, n'a cessé d'alimenter cette étude de nouvelles idées, orientations, partenaires, sujets, ne m'ayant ainsi jamais laissé en panne sèche! Cette collaboration fût un réel plaisir pour ma part, aussi enrichissante scientifiquement qu'humainement. Claire, aujourd'hui ma femme, toujours ma complice depuis plus de huit a ns et rail de sécurité ponctuel, a été le comburant de ce triangle. Sa pré sence, son soutien et surtout sa patience ont constitué les bouffées d'oxygène qui m'ont permis non seulement de mener à bien ce projet au quotidien, mais aussi de l'oublier lorsque cela devenait nécessaire. Merci pour ta compréhension et ton aide lors de ces nombreuses soirées e t week-end de rédaction. Cette alchimie particulière n'aurait toutefois pu porter ses fruits s ans la coopération et le soutien de Martine Blaimont et François Vernières de l'Institut Européen de Recherche sur les Systèmes Electroniques dans les Transports. Je les remercie a ujourd'hui d'avoir accepter de m'intégrer au sein de leur équipe et de me prendre en charge tout au long de ces trois années. A ce titre, je remercie aussi les membres permanents du groupe EEC à savoir Georges Charnay et Rudy Bazile, mes directeurs de recherche, Gérard Couteau p our son aide dans la conception et la réalisation des moyens d'essais, Karine Cantèl e et Florence Colombies pour leur gestion alliant efficacité, sainte patience et bonne humeur. Les services d'intérêts généraux de l'IMFT ont aussi toujour s répondu présent à mes nombreuses sollicitations, pour ma thèse ou la vie au laboratoire, de la reprographie au service Réseau et Informatique, en passant par Seb, Manu et Hervé de Signaux et Images, et par les membres du Service Administratif. Merci à vous tous pour l e support que vous nous apportez.

REMERCIEMENTS

Bien qu'ayant passé beaucoup de mon temps dans le laboratoire d'injec tion, je dois reconnaître que les moments passés dans le bureau 303 restent inoublia bles de par la présence d'une entité complexe et mystérieuse nommée Vincent -Josianne. Ardent pourfendeur de PC et adorateur de la pomme, comme tout numéricien dan s l'âme qui se respecte il poussait des miaulements hystériques à la vue d'une clé de 10 ou de tout autre outil. Secrétaire assidue et performante à la si douce voix, je te remercie pour toutes ces parties de tennis-cynique au dessus de nos écrans nous protégeant de nos visions respectives, mais surtout pour ton soutien et ton humour qui m'ont permis de passer de nombreux moments délicats. Le travail d'expérimentation nécessite certes beaucoup de minutie et de rigueur, mais surtout de la persévérance, voire de l'entêtement. Ainsi, je vous remercie Moïse et Anne pour toutes ces heures laborieuses passées au milieu des lasers, des injecteurs et de leurs sprays. Nous y avons passé beaucoup de temps, mais cela n'aura pas é té vain, ni pour nos travaux, ni pour notre amitié. Je tiens aussi à remercier particulièrement Livier, expérimentateur hors pair , pour m'avoir fait profiter de ses intarissables connaissances dans le domaine de la métrologie laser, des signaux et du traitement d'image, le tout, cela va s'en dire, sous Matlab (qui peut bien sûr tout faire...). Enfin, merci à tous les doctorants, stagiaires et post-doctorants que j'ai rencontrés au cours de ces trois ans pour l'ambiance qu'ils assuraient, leur aide et l eurs questions. Merci à vous les Julien, Vincent, Pascal, Olivier, Mamour, les Jérome, Thomas, Mathieu, Caro, Laure, Brice, Magali, Benjamin, les Xavier, Arthur, Anthony, Ludo, Nicol as, les Pierre, Coralie, les Franck, les Anne, Cécile. REMERCIEMENTS

RESUME

L'objectif de cette étude est de déterminer l'effet des fluc tuations de débit liquide instantané d'un injecteur (aussi appelé taux d'introduction ) sur l'entraînement d'air instationnaire d'un brouillar de gouttelettes pulvérisées (spr ay). L'injecteur est de type injection directe essence deuxième génération à command e piézo-électrique. Pour ce faire, nous utilisons plusieurs outils, expérimentaux et numéri ques. La première partie de ce travail concerne la mise en place d'une m

éthode de mesure

de débit liquide instantané. Cette dernière, basée sur la modé lisation physique des écoulements pulsés, nécessite la seule mesure par moyenne de ph ase de la vitesse de l'écoulement à l'axe d'une conduite alimentant l'injec teur. On peut alors " reconstruire » les profils de vitesse transversaux instantanés au sein de la condui te et obtenir le débit liquide instantané. Cette technique est ici va lidée pour la première fois en comparant les profils de vitesses obtenus par reconstruction à ceux mesurés par Anémométrie Laser Doppler (ALD). Toutefois, cette technique ne donne accès qu'au débit en amont de l'injecteur.

L'utilisation d'un logiciel de

" modélisation système » hydraulique et mécanique (AMESim) nous permet d'obtenir le débit liquide instantané en sortie de l'injecteur. La validation des mesures est réalisée grâce aux résultats d e la méthode de reconstruction et à des mesures de pression de rampe d'injection. La deuxième partie traite de l'étude instationnaire de l'ent raînement d'air du spray.

En raison

des contraintes liées à l'utilisation de méthodes optiques en milieu diphasique dense, nous utilisons une méthode de Vélocimétrie pa r Images de Particules Fluorescentes (FPIV). On accède ainsi à l'écoul ement d'air autour, voire à l'intérieur du cône du spray (pression de carburant de 50 bars). En réalisant des mesures de vitesse d'air en proximité de la frontière du spray durant et après l'injection, nous obtenons l'entraînement d'air instationnai re de la nappe diphasique.

A partir de considérations sur la

force de traînée des gouttes et sur l'échange de quantité de mouvement du spray avec l'air, nous dégageons des t endances d'évolution de l'entraînement d'air en fonction du débit liquide instant ané du spray (obtenu par la méthode de reconstruction et la modélisation AMESim). L'utilisation de données de granulométrie et de vitesse du carburant en sortie de l'injecte ur permet enfin de proposer un modèle d'entraînement instationnaire adapté à l'injecteur utilisé et fidèle aux tendances mesurées par FPIV.

Mots clefs :

Spray à nappe diphasique dense conique creuse

Ecoulements instationnaires en conduite

Modélisation de l'entraînement d'air

Anémométrie Laser Doppler

Vélocimétrie par Images de Particules Fluorescentes

Mesure de débit liquide instantané

AMESim

ABSTRACT

The aim of this study is to determine instantaneous liquid flow rate osc illations effect on non stationary air entrainment for a Gasoline Direct Injection piezoe lectric driven injector. The tools we use are either experimental or numerical ones. The first part of this work deals with the set up of an instantaneous fl ow rate determination method. It is based on pulsated flows physics and only req uires the phase-averaged velocity at the centreline of a pipe mounted just before the in jector. So, it is possible to "rebuild" the instantaneous velocity distributions and then to get the instantaneous liquid flow rate. This is the first time that this met hod is validated by matching rebuilt velocity distributions and direct Laser Doppler Anem ometry measurements (LDA). However, this technique measures instantaneous liquid flow rate only bef ore the injector. Thus, the use of a mechanical and hydraulics modelling softwar e (AMESim) is necessary to get injector outlet flow rate. Simulations are validated by bothquotesdbs_dbs9.pdfusesText_15

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