Modeling of spray polydispersion with two-way turbulent interactions for high pressure direct injection in engines

La simulation des ecoulements diphasiques rencontres dans les moteurs a combustion interne (MCI) est de grande importance pour la prediction de la performance des moteurs et des emissions polluantes. L’injection directe du carburant liquide a l’interieur de la chambre de combustion genere loin de l’injecteur un brouillard de gouttes polydisperses, communement appele spray. Du point de vue de la modelisation, l’emergence des methodes Euleriennes pour la description du spray est consideree prometteuse par la communaute scientifique. De plus, la prise en compte de la distribution en taille des gouttes par les approches Euleriennes, de maniere peu couteuse en temps de calcul, n’est plus consideree comme un verrou depuis le developpement de la methode Eulerian Multi Size Moment (EMSM). Afin d’envisager la simulation de configurations realistes de MCI, ce travail de these propose de modeliser les interactions turbulentes two-way entre le spray polydisperse evaporant et la phase gazeuse environnante par la methode EMSM. Dans le contexte du formalisme Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) dediee au traitement du maillage mobile, les termes sources presents dans le modele diphasique sont traites separement des autres contributions. Le systeme d’equations est ferme a l’aide d’une technique de reconstruction par maximisation d’entropie (ME), originellement introduite pour EMSM. Une nouvelle strategie de resolution a ete developpee pour garantir la stabilite numerique aux echelles de temps tres rapides introduites par les transferts de masse, quantite de mouvement et energie, tout en respectant la condition de realisabilite associee a la preservation de l’espace des moments d’ordre ´eleve. A l’aide des simulations academiques, la stabilite et la precision de la methode ont ete etudiees aussi bien pour des lois d’evaporation constantes que dependantes du temps. Tous ces developpements ont ete integres dans le code industriel IFP-C3D dedie aux ecoulements compressibles et reactifs. Dans le contexte de la simulation en 2-D de l’injection directe, les resultats se sont averes tres encourageants comme en temoignent les comparaisons qualitatives et quantitatives de la methode Eulerienne a la simulation Lagrangienne de reference des gouttes. De plus, les simulations en 3-D effectuees dans une configuration typique de chambre de combustion et des conditions d’injection realistes ont donne lieu a des resultats qualitativement tres satisfaisants. Afin de prendre en compte la modelisation de la turbulence, une extension moyennee, au sens de Reynolds, des equations du modele diphasique two-way est derivee, un soin particulier etant apporte aux fermetures des correlations turbulentes. La repartition de l’energie dans le spray ainsi que les interactions turbulentes entre les phases ont ete etudiees dans des cas tests homogenes. Ces derniers donnent un apercu interessant sur la physique sous-jacente dans les MCI. Cette nouvelle approche RANS diphasique est maintenant prete a etre employee pour les simulations d’application de MCI.