Interaction between jet and compressed vortex. Experimental study of aerodynamics and mixing.
Interaction entre un jet et un tourbillon compressé. Etude expérimentale de l'aérodynamique et de mélange
Résumé
The transient in-cylinder flow field and mixing that take place during compression stroke of an internal combustion engine cylinder are a key factor for the optimisation of the engine as well as pollutant emissions. This work was performed in a frame of a collaborative project between engine manufacturers (PSA, Renault) and CNRS and was supported by ADEME. An existing experimental set-up has been used but improved with an adapted injection system. We have gathered a large database of the injection and compression stroke. Imaging Laser techniques are used to study the interaction between spray and aerodynamic in a model situation of a engine cylinder. The study will answer if this interaction alter the transport properties of the large-scale rotating flow in a view to realize a vertical charge stratification. We focus here on the mechanical interactions between the spray and the internal flow. Then a model round jet has been injected respecting a non dimensional analysis in order to be representative of the real engine configuration. Two kind of injection axis have been set up in order to study the influence of the tumbling cross flow in the angular momentum jet transfer. Experiments have been carried out to measure velocity field (PIV) and mixture field (PLIF) in the symmetry plane of the chamber during injection and compression strokes. For quantitative measurements of acetone fluorescence, both the absorption coefficient and the fluorescence yield must be determined under reference conditions. This measurements provides a better understanding of energy transfer between jet and large scale motion as well as of the modification of the disruption of the tumbling flow during compression. The mean kinetic energy is transferred to turbulence with a short time scale during the injection. Then dissipation process occurs during the whole compression stroke thus leading to a lower level of fluctuating kinetic energy at the end of compression than without injection. This result is very important as far the combustion is concerned. Finally, we have proposed to use a global approach of the Proper Orthogonal Decomposition in order to get a common base for the whole compression stroke. Fields interpolation has been done using a linear interpolation since this latter minimise the energy lost. The POD analysis confirms the energy transfer activated by the injection and gives some good perspectives of this approach in the analysis of internal unsteady turbulent flow.
Les écoulements internes et le mélange prenant place pendant la phase de compression d'un cylindre moteur constituent des facteurs clés en vue de l'optimisation du moteur ainsi que des émission polluantes. Le cadre contractuel de ce travail est un projet collaboratif mettant en oeuvre les constructeurs automobiles (PSA, Renault) le CNRS ainsi que l'ADEME. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des modification permettant de réaliser une injection directe au sein de la chambre. Nous avons pu rassembler une base de donnée importante et fiable. Des techniques d'imagerie laser ont été utilisées. Cette étude servira à répondre à mieux connaître la capacité de cette interactions à altérer les propriétés de transport et de non dissipativité de la structure tourbillonnaire à grande échelle attendue pour réaliser une stratification de la charge. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre un spray et l'aérodynamique dans une situation modèle d'un moteur à pistons. Ainsi un jet rond monophasique modèle à été a été mis en place afin de respecter une analyse dans dimension permettant d'être représentatif de la situation réelle. Deux directions d'injections ont été testées afin d'étudier l'influence du jet sur l'écoulement Des mesures ont donc été effectuées pour mesurer les champs de vitesse (PIV) ainsi que les champs de fraction massique (PLIF) dans le plan de symétrie de la chambre. Afin de réaliser des mesures quantitatives de fluorescence, il était nécessaire de réaliser un étalonnage afin de connaître le coefficient d'absorption ainsi que le rendement de fluorescence du dopant utilisé (en l'occurrence de l'acétone). Ces mesures permettent une meilleure compréhension des phénomènes de transfert d'énergie entre le jet d'injection et la structure tourbillonnaire à grande échelle ainsi que de la modification du processus de rupture de cette dernière par l'injection. L'énergie moyenne est transférée vers les petites échelles durant un temps très cours. Puis il apparaît que la perturbation de la structure cohérente à grande échelle par l'injection provoque très tôt dans le cycle le processus de dissipation. Ainsi, le temps de dissipation est plus long entraînant un niveau d'énergie fluctuante en fin de compression après injection beaucoup plus faible que dans la situation de compression du vortex seul. Cette donnée est importante en ce qui concerne la combustion. Enfin, nous avons proposé l'utilisation de la Décomposition Orthogonale en modes Propres (POD) avec une approche globale sur la phase de compression ceci afin de disposer d'une base commune à l'ensemble des champs instantanés de cette phase. Une interpolation des champs est donc nécessaire pour unifier en taille tous les champs utilisés dans la décomposition. Le schéma linéaire apparaît comme celui permettant de minimiser les pertes d'énergie par l'interpolation. Cette analyse POD confirme les conclusions apportée auparavant en ce qui concerne les transferts d'énergie entre échelles et apparaît comme un outil efficace et prometteur dans l'étude des phénomènes transitoires comme celui ci.
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