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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Mécanique des fluides

Par

Jérémy CHESNEL

Soutenue le 10 juin 2010

Simulation aux Grandes Échelles de l’Atomisation. Application à l’Injection Automobile.
Jury

Rapporteurs
Jean-Paul Caltagirone, Professeur des Universités, TREFLE - Bordeaux.
Bénédicte Cuenot, Docteur, CERFACS - Toulouse.

Examinateurs
Dominique Legendre, Professeur des Universités, IMF - Toulouse.
Alain Berlemont, Directeur de recherche, CORIA - Rouen.

Membre invité
Mai Funk, Docteur, Renault S.A. - Guyancourt.

Directeurs de thèse
Julien Réveillon, Professeur des Universités, CORIA - Rouen.
François-Xavier Demoulin, Maître de conférence, CORIA - Rouen.

Résumé
L’injection liquide est un processus important dans beaucoup d’applications industrielles et plus spécifiquement au sein des moteurs à combustion. Beaucoup de méthodes RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ont été développées, dans le cas de l’atomisation, aussi bien en utilisant le formalisme Lagrangien que Eulérien. Cependant, les simulations LES (Large Eddy Simulation) sont connues pour être plus précises et mieux représenter les phénomènes physiques dans le cas monophasique.
Développer la LES pour le cas diphasique est donc naturellement une étape nécessaire à franchir. Cependant, la simulation de l’atomisation requiert un traitement spécial de l’interface. Deux cas limites sont traités dans la littérature :
- L’interface peut être bien capturée par le maillage. À ces endroits la LES doit rejoindre les résultats de méthodes classiques utilisées en DNS comme les méthodes VOF ou level-set. Ceci est une approche nécessaire proche injecteur.
- Le maillage ne permet plus de suivre fidèlement l’interface, lors de la création de plissements inférieurs à la taille d’une maille. Dans ce cas le calcul doit reproduire les résultats d’une LES considérant des structures et des gouttes inférieures à la taille de la maille. Cette approche est nécessaire loin de l’injecteur dans la zone dispersée.
C’est dans ce cadre que le travail réalisé durant cette thèse s’articule :
Le développement d’un modèle LES d’atomisation capable de passer continument d’une méthode à l’autre. La mise en oeuvre de ce modèle a permis d’obtenir des résultats dans une configuration proche de l’injection Diesel, qui sont alors comparés à une base de données DNS.

Abstract
Large Eddy Simulation for atomization : application to automotive engines injection.
Liquid injection takes an important part in many physical processes, especially within internal combustion engine (ICE). Up to know the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach has been widely used, both in Eulerian and Lagrangian framework. Several works on atomization have been done in our team developing the ELSA model.
However, LES of atomization seems to be a necessarily step forward. In addition to standard LES method for turbulent flows, a special attention is necessarily to represent the interface. Two limit cases have to be considered :
- The liquid surface can be well captured with the available mesh size (or filter size) then the LES formulation must recover the DNS methods used to track the interface (such as Level Set or VOF).
- The liquid surface wrinkles size are smaller than the mesh size and the two-phase LES formulation must recover the LES used for spray where finally droplets are considered very small by comparison to the mesh size.

In this work we present a LES method for two phase flow that can recover these two limits. It is shown that the unresolved SGS (Sub Grid Scale) term that appears in the phase function equation plays an important role, even if it is very small by comparison to the resolved contribution. Application of this method to the atomization of a Diesel jet is presented. LES results are then compared to a DNS data base.

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