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Holistic Approach of Spray Injection through a Generalized Multi-phase Framework

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Des outils numériques pour une conception plus rentable des nouveaux systèmes d’injection de carburant

Pour se conformer à la législation de l’UE sur les émissions, le développement de systèmes d’injection de carburant pour réduire les émissions polluantes des transports à propergol liquide et des systèmes de production électrique est une priorité industrielle absolue. Cependant, la nouvelle conception des systèmes d’injection de carburant est limitée par les lacunes dans la compréhension des processus à flux multi-phases micro-échelle complexes et la puissance informatique actuelle.

Technologies industrielles

Les systèmes d’injection de carburant électroniques modernes qui fonctionnent sur une large gamme de pressions et de compositions de carburant constituent une des technologies clés pour réduire les émissions de polluants formées durant la combustion des transports à propergol liquide et des systèmes de production électrique. «Le dénominateur commun de toutes ces conceptions actuellement disponibles est la formation de flux multi-phases qui contrôlent l’atomisation du carburant et les propriétés ultérieures ainsi que le mélange des pulvérisations de carburant injecté,» explique Manolis Gavaises, coordinateur scientifique du projet HAoS et professeur à l’institut de coordination City, University of London. Ces recherches ont été entreprises avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Expériences à l’aide de simulations numériques directes

Les partenaires du projet ont travaillé sur le développement et la validation expérimentale des modèles CFD (dynamique numérique des fluides) en étudiant les processus de flux réalisés dans les systèmes d’injection de carburant (SIC) pour une vaste gamme de concepts de combustion. Notamment les moteurs diesel et essence classiques, les turbines à gaz, les moteurs de fusée et les brûleurs à mazout utilisés dans la production d’électricité. Les sujets de recherche principaux des partenaires étaient les phénomènes de flux tels que la nucléation des bulles durant la cavitation, la vaporisation instantanée et l’émulsion dans l’eau, ainsi que les processus de fragmentation des structures liquides formées. L’objectif principal des chercheurs était de comprendre et de modéliser ces processus dans le cadre d’un modèle CFD de simulation à grande échelle (large eddy simulation, LES). «Dans cette approche, les processus non résolus susmentionnés d’échelle inférieure à la maille subgrid-scale, SGS requièrent une modélisation alors que leur effet sur les échelles techniques à des temps de calcul abordables est réalisé par des simulations numériques,» explique Manolis Gavaises. Grâce à des expériences sur mesure et des simulations numériques directes, ils ont développé des schémas de fermeture SGS pertinents. Ces modèles ont ensuite été implémentés dans plusieurs codes LES. Les membres de l’équipe ont envisagé des phénomènes spécifiques, dont les effets de l’effondrement de la bulle de cavitation sur l’atomisation principale du diesel ou de l’essence, la formation de bulle/vapeur dans les buses d’oxygène liquide, et les propriétés du mélange air/mazout sur l’atomisation dans les brûleurs à mazout, ainsi que l’effet de l’aérodynamique des gouttelettes liquides, l’émulsion d’eau, la turbulence des flux et l’impact des gouttes avec les surfaces sur leur fragmentation.

Applications industrielles

L’équipe HAoS a validé les outils de simulation développés par rapport aux nouvelles données expérimentales de référence obtenues. Les modèles de pointe actuels ne disposent pas de ces outils. La validation comprenait des injecteurs de diesel et d’essence, les atomiseurs à jet d’air, les atomiseurs à jet en Y utilisés avec des brûleurs à mazout et des injecteurs utilisés avec des liquides cryogéniques pour des moteurs de fusée. «Ces comparaisons démontrent l’applicabilité et la valeur ajoutée des modèles développés pour les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz, les brûleurs à mazout et même les injecteurs de carburant de moteur de fusée,» conclut Manolis Gavaises. «Ces modèles profiteront donc à l’industrie et aux entreprises telles que les fabricants de systèmes de combustion et d’injection de carburant qui les adoptent comme outils de conception pour le développement de nouveaux systèmes d’injection et concepts de combustion.» En outre, les résultats de HAoS profiteront à la communauté de la mécanique des fluides au sens large qui bénéficiera des nouvelles connaissances physiques obtenues concernant le lien entre le flux multi-phases des buses et l’atomisation. Enfin, le projet a formé 15 chercheurs en début de carrière, consolidant une nouvelle génération de scientifiques dans la technologie SIC.

Mots‑clés

HAoS, injection de carburant, atomisation, SIC, production d’électricité, système d’injection de carburant, transports à propergol liquide, SGS, CFD, LES

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