Modeling of dual-fuel jet break-up, phase change, and mixing

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.