Marco/Microscopic study of Diesel Sprays injected by the common Rail System with the Shadowgraphy technic and Phase Doppler Anemometer.
ETUDE MACRO/MICROSCOPIQUE DES SPRAYS DIESEL INJECTES PAR LE SYSTEME COMMON RAIL AVEC LA TECHNIQUE D'OMBROSCOPIE ET L'ANÉMOMÈTRE PHASE DOPPLER
Résumé
The present work concentrates on the macro and microscopic study of the diesel sprays injected with high pressures by the Common-Rail injection system through an injector mono-hole of small diameter in an isothermal inert environment, avoiding the evaporation of fuel at high gas pressures. The results promote significantly the increase of knowledge on the diesel sprays completely atomized almost at the injector exit and present a solid data base for the validation of the computational codes (computational fluid dynamics: CFD). Two techniques are used: The shadowgraphy technique allows the macroscopic study of the diesel spray (penetration, cone angle and volume of the spray). However, the microscopic study is achieved with the phase Doppler anemometry (PDPA) (measures of the diameter and the velocity of the drops). The combination of the two techniques allows a quantification of the fuel concentration. The correlation of the macroscopic parameters adjusts perfectly well to penetration measurements after transition time without taking into account the cone angle of the spray. This semi-empirical correlation resembles the expression obtained by the dimensional analysis assuming a rectangular form for the mass flow rate. The penetration during the transition phase follows a linear law according to time. The taking into account of the cone angle of the spray in the correlation increases the adjustment. The cone angle of the spray is very depending on the density of surrounding gas. The value of the cone angle is of 36° for the surrounding gas density of 30 kg/m3. For the microscopic study, the spray is divided into three parts; leading edge, central part and trailing edge. The injection duration in this case is brought to 3ms instead of 1.5ms to lengthen the central spray part. The temporal evolutions of the mean velocity and rms of the longitudinal velocity show peaks. The peaks of the rms of longitudinal velocity are an indication of the strong dispersion, due to the phenomena of overtaking of braked drops by the fast ones and or secondary atomisation. The peak velocity is explained by an energy supply of the air pulled by the frontal vortices to the smallest drops. The decrease of longitudinal velocity on the axis in the central spray part resembles to that of the gas jets. However, the decrease of the rms of the longitudinal velocity is faster than that of the free gas jets. Coalescence is effective in all the spray parts for the low injection pressures closer to the injector. However, for high injection pressures, the coalescence in the leading edge acts only far from it. The longitudinal velocity and the concentration of the drops have homothetic radial profiles and the effective Schmidt coefficient < 1. However, close to the spray axis, the velocities are sometimes too high. The radial distribution of the intensity of turbulence is homothetic, but it is similar to that of the free gas jet in r/r0,5< 1 and higher beyond. The intensity of turbulence in the leading edge is higher than in the central part and the trailing edge; and it has values of 40-60%. The pdfs of drop velocity are asymmetric (Su>0 or Su<0) and narrow (Fu>3) or flattened (Fu<3) in the leading edge, but they are Gaussians in the rest. However, the pdfs of drop diameters are narrow (Fd>3) and quasi-symmetrical (Sd≈0) in all the spray parts. The virtual origin of the spray at the beginning of the injection is variable and stabilizes afterwards in the interval 11-15 mm. In this spray region, the spray is dense and measurements by PDA system are impossible. The dynamic cone angle of the spray is approximately 32°.The virtual origin and the cone angle are independent on the injection pressure.
Le présent travail a pour objet, l'étude macro et microscopique des sprays diesel injectés à hautes pressions par le système d'injection Common-Rail à travers un injecteur mono trou de petit diamètre dans un environnement inerte isotherme, évitant l'évaporation du combustible à pression de gaz élevée. L'étude effectuée est une contribution aux recherches, menées sur les sprays diesel complètement atomisés dès la sortie de l'injecteur, et présente une base de données solide pouvant servir entre autres à la validation des codes de calcul de simulation (computational fluid dynamics: CFD). Deux techniques sont utilisées: D'une part, la technique d'ombroscopie qui permet l'étude macroscopique du spray diesel (pénétration, angle du cône et volume du spray), et d'autre part, la technique de l'anémométrie phase Doppler (PDPA) (mesures de la vitesse et du diamètre des gouttes), utilisée pour l'étude microscopique. La combinaison des deux techniques permet une quantification de la concentration du combustible. La corrélation des paramètres macroscopiques s'ajuste parfaitement aux mesures de la pénétration après le temps de transition sans la prise en compte de l'angle du cône du spray. Cette corrélation semi-empirique ressemble à l'expression obtenue par l'analyse dimensionnelle se basant sur une forme du débit massique rectangulaire. La pénétration durant la phase de transition est modélisée par une loi linéaire en fonction du temps. La prise en compte de l'angle du cône du spray dans la corrélation améliore l'ajustement. L'angle du cône du spray est dépendant de la masse volumique du gaz. La valeur de l'angle du cône est de 36° pour le cas d'une masse volumique du gaz égale à 30 kg/m3. Pour l'étude microscopique, le spray est divisé en trois parties; le bord d'attaque "BA", la partie centrale "PC" et le bord de fuite "BF". La durée d'injection dans ce cas est ramenée à 3ms au lieu de 1.5ms pour allonger la PC du spray. Les évolutions temporelles de la vitesse moyenne et de la rms de la vitesse longitudinale des gouttes montrent des pics. Les pics de la rms de la vitesse longitudinale dans le BA sont une indication de la forte dispersion, due aux phénomènes de rattrapage de gouttes freinées par les rapides ou d'atomisation secondaire. Le pic de vitesse s'explique par un apport d'énergie de l'air entraîné par les vortex frontaux aux gouttes les plus petites. La décroissance de la vitesse longitudinale sur l'axe dans la PC du spray ressemble à celle des jets gazeux. Cependant, la décroissance de la rms de la vitesse longitudinale est plus rapide que celle des jets gazeux libres. La coalescence est effective dans toutes les parties du spray pour les pressions d'injection faibles très près de l'injecteur. Par contre, pour les pressions de l'injection élevées, la coalescence dans le BA ne se manifeste que loin de l'injecteur. La vitesse longitudinale et la concentration des gouttes ont des profils radiaux homothétiques et le coefficient de Schmidt effective est <1. Cependant, près de l'axe du spray, les vitesses sont parfois trop élevées. La distribution radiale de l'intensité de turbulence est homothétique, mais elle est similaire à celle d'un jet gazeux libre dans la zone r/r0,5<1 et élevée audelà. L'intensité de turbulence dans le BA est plus élevée que dans la PC et le BF; et elle prend des valeurs de l'ordre de 40-60%. Les pdfs de vitesse sont asymétriques (Su>0 ou Su<0) et étroites (Fu>3) ou élargies (Fu<3) dans le BA, mais elles deviennent Gaussiennes dans le reste. Cependant, les pdfs du diamètre des gouttes sont aplatis (Fd>3) et quasi-symétriques (Sd≈0) dans toutes les parties du spray. L'origine virtuelle du spray au début de l'injection est variable et se stabilise après dans l'intervalle 11-15 mm. Dans cette zone, le spray est dense et les mesures par le système PDA sont impossibles. L'angle dynamique du cône du spray est d'environ 32°. L'origine virtuelle et l'angle du cône sont indépendants de la pression d'injection.