Turbulent jet flows are very common in engineering applications. One example is that of fuel injection in internal combustion engines, which is closely related to the combustion process. Because of the widespread use, the resulting emissions of such engines have a significant impact on human health and the environment. For a long time, research has sought to improve the mixing in developing turbulent jets to reduce the level of pollutants. Findings have indicated that injection unsteadiness can be used to improve the spray quality. Furthermore, it has been demonstrated that important spray characteristics can be linked to physical phenomena occurring in the region close to the nozzle. In this work, the breakup of an intermittently injected jet is investigated using numerical simulations. Cases of both single-phase and two-phase conditions are studied, characterizing the pulse breakup for different injection timing and varying fluid properties. For single-phase pulsation, mixing efficiency is shown to be connected to the generation of different secondary flow structures and their interaction. The breaking of symmetry along the pulse, responsible for the increased the mixing, is explained through a consideration of vorticity transport. This sequence shows local mixing is faster in the trailing region of pulses that are long enough to form secondary vorticies in the corresponding region. The study is extended to include effects of acceleration and deceleration during injection. The mixing rate depends on the accumulation of jet fluid within the generated flow structures. A rapid injection increase or decrease is found to promote the jet mixing and spreading by triggering jet fluid shedding and destabilization of such flow structures closer to the nozzle. Slow velocity changes promote separation of the injected fluid which instead suppresses near-nozzle mixing. Simulations of intermittent injection of liquid into quiescent gas have also been performed. Primary breakup of liquid pulses is assessed by considering the increase of the liquid-to-gas interface area and volumetric decrease over time. The disintegration process for these cases are less sensitive to the surrounding gas flow because of the higher jet inertia. Increased injection frequency and lower injection to non-injection ratio, is observed to stimulate primary breakup. This is due partly to a stretching action near the nozzle, and partly to a stronger relative influence of collision between liquid pulses. / <p>QC 20160504</p>

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This study focuses on the design and development of a new spray applicator design utilizing effects of imposed pressure oscillations in conjunction with cavitation collapse energy to create distribution of fine droplets. An oscillating horn placed inside the nozzle performing high frequency oscillations is envisioned to provide the necessary pressure perturbations on the exiting liquid jet, while the nozzle geometry design in configured to amplify cavitation process. Initially, a two-zone approach modeling the nozzle interior and exterior in a separate fashion and later, a coupled strategy is proposed. Parametric studies describing the effect of horn stroke length, frequency, its position inside the nozzle in combination with different nozzle designs and liquid flow rates are explored to identify their contribution in obtaining desired cavitation characteristics. In this regard, incorporation of a backward facing step profile within the nozzle shows strong capability of generating the required cavitation and flow field distribution at the nozzle exit. The velocity modulations occuring at the nozzle exit due to oscillating horn structure result in a wide gamut of liquid structures specific to the imposed oscillation frequency and modulation amplitude. The disintegration characteristics of these modulated liquid jets are studied using a Volume-of-Fluid (VOF) interface capturing approach based on finite volume methodology employing an interface compression scheme. VOF methods are validated against experimental results and then subsequently used to study scaling parameters governing the modulated liquid jets. To perform coupled interior-exterior nozzle computations with cavitation, two new cavitation models are presented: First, a model based on Homogeneous Equilibrium assumptions for tracking cavitation events in a compressible framework is presented. Owing to its inability to simulate incompressible cavitating flows, a new cavitation event tracking model based on a Cavitation-Induced-Momentum-Defect (CIMD) correction approach is formulated utilizing a scalar transport model for vapor volume fraction with relevant transport, diffusion and source terms. Validations of both the models against experimental observations are detailed. Coupled internal-external liquid flow computations from the proposed atomizer design using a VOF-CIMD strategy shows strong potential for rapid drop formation in the presence of cavitation effects. A prototype model of a new spray applicator design is presented.

Worker exposure to coal dust in underground mines remains a major health hazard. This research has: 1) Analyzed the wetting characteristics of less than 10 micron dust particles using a novel micro-emulsion technology (MET) at bench scale and prototype scale with emphasis on agglomeration of dust particles, and 2) Simulate airflow and dust dispersion patterns on a longwall mining face using CFD modeling techniques to compare the current and proposed spatial distributions of water sprays around a longwall shearer. With the “Final Dust Rule” adopted by MSHA in 2014 and slated to go into full effect August 16, 2016, this research is a significant contribution to the coal industry. A suitable micro-emulsion containing 0.2% oil and 0.0125% didodecyl-dimethyl-ammonium bromide (DDAB) was identified. For assessing the wettability of coal dusts, a slightly modified version of “Fixed Time Wettability” or FTW (Chugh et al., 2004) was employed. These wettability tests however, did not yeild true wettability using the MET. An analysis for both unwetted and wetted portions of coal dust using particle size distribution curves (PSD) confirmed agglomeration when treated with the emulsion. For the unwetted portion, 96.6% of the particles had sizes greater than 25 μm after treatment with MET. Similar data for wetted dust was 100%. Experiemental studies in a 4 ft x 4ft x 10 ft chamber showed 12-15% improvement in respirable dust when using MET as compared to water alone.. Validated computational fluid dynamics (CFD) models were used to study airflow patterns and the interaction between sprays and airflow for designing both engineering and administrative controls around a longwall face. Two important zones – low air velocity (LAV) and recirculation (RC) – were identified around the model of a longwall face. These zones were located: 1) Behind the headgate drum and 2) Above the shearer chassis. Analysis of a modified geometric configuration of sprays on the shearer chassis showed improved coverage for wetting the dust on the longwall face. Numerical modeling comparisons were made between current spray systems and spray systems proposed by Dr. Y. P. Chugh using the concepts of “Continuous and Discrete Phase Modeling”. Analyses included changes in airflow patterns caused by spray systems and dust dispersion tracks generated from the cutting face. Chugh’s spray system was able to effectively eliminate RC zones existing above the shearer body, thereby minimizing the extent to which coal dust enters the walkway of the longwall face where workers are located. The proposed spray system used concepts of multiple wetting points for dust, air-locks, and venturi to wet the dust and direct the dust-laden air from mine workers. These improvements can be used in longwall mines as engineering controls for meeting new dust control standards.

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Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l’injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d’améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. Intrinsèquement, il est possible de simuler l’ensemble de l’écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l’injection (gouttes de diamètre < à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C’est pourquoi il est nécessaire d’introduire une modélisation diphasique. C’est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le cœur liquide dense proche de l’injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d’une population de gouttes polydisperse générées après le processus d’atomisation en aval de l’injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d’applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Elles reposent sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d’équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l’évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d’ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments ( QMOM) en une ou plusieurs dimensions d’espace. De la même manière, l’utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d’espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l’élaboration de schémas de transport d’ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (DNS) dédié à l’évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L’extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d’étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d’une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d’un calcul d’injection dans une chambre de combustion d’un spray polydisperse avec le modèle EMSM. / The general context of the PhD is the simulation of fuel injection in an internal combustion engine, in order to improve its thermal and ecological efficiency. This work more generally concerns any industrial device involving a multiphase flow made of liquid fuel injected in a chamber filled with gaz: automotive or aircraft engines, or turbo machines. In and of itself, it is possible to simulate this flow without any modeling. However the small structures created during injection (droplets of diameter until 10 μm or less) lead to a prohibitive computational cost for any industrial application. Therefore modeling is necessary. In this context, two areas are formally distinguished: the dense liquid core close to the injector called separate-phase flow, and the spray made of a polydisperse droplet population (i.e. droplets with different sizes) generated after the atomization processes downstream of the injector. This PhD work investigates Eulerian models for the description of polydisperse evaporating sprays, for industrial computations. They represent a potential alternative to Lagrangian models, widely used at present, yet suffering from major drawbacks. Thus, the Multi-Fluid model is assessed. Although it is very promising, two difficulties are highlighted: its cost for a precise description of polydispersity, and its inability to describe particle trajectory crossing (PTC). Solutions to these two limitations are considered. Both rely on high order moment methods. First, the Eulerian Multi Size Moment (EMSM) proposes a much more efficient resolution of polydisperse evaporating sprays than the Multi-Fluid model does. Mathematical tools are used to close the model and combined with original finite volume kinetic-based schemes in order to preserve the moment-set integrity, for evaporation and advection. An answer to the second limitation is provided with the Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) based on high order velocity moments. A bimodal velocity distribution can be locally reconstructed for the moments using the quadrature method of moments (QMOM), in one or multi-dimensions. Here also, finite volume kinetic-based schemes are studied in order to preserve the moment set integrity. Moreover, a mathematical study of the one-dimensional dynamic system highlights its peculiarity and constitutes a necessary basis for the design of high order numerical schemes. In order to assess them, both the models and their numerical tools are implemented in the MUSES3D code, an academic DNS solver that provides a framework devoted to spray method evaluation. Achievements of the EMSM and the EMVM models are presented. The extension of the EMSM model to an industrial context is then considered, with its implementation in the IFP-C3D code, a 3D unstructured reactive flow solver with spray. In order to perform computations within a moving domain (due to the piston movement) the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formalism is used. A numerical study has been achieved, in order to extent to this formalism the properties of accuracy and stability of the EMSM model, which already induces strong stability condition in an Eulerian approach. The robustness of the EMSM model in the IFP-C3D code has been successfully demonstrated on a case involving a moving piston, and also on a comparison with the MUSES3D code. Moreover, very encouraging results demonstrate the feasibility of the EMSM model for spray injection.

We present a mathematical study of two conservative systems in fluid mechanics. First, we study a fragmentation model for sprays. The model takes into account the break-up of spray droplets due to drag forces. In particular, we establish the existence of global weak solutions to a system of incompressible Navier-Stokes equations coupled with a Boltzmann-like kinetic equation. We assume the particles initially have bounded radii and bounded velocities relative to the gas, and we show that those bounds remain as the system evolves. One interesting feature of the model is the apparent accumulation of particles with arbitrarily small radii. As a result, there can be no nontrivial hydrodynamical equilibrium for this system. Next, with an interest in understanding hydrodynamical limits in discontinuous regimes, we study a classical model for shock waves. Specifically, we consider scalar nonviscous conservation laws with strictly convex flux in one spatial dimension, and we investigate the behavior of bounded L² perturbations of shock wave solutions to the Riemann problem using the relative entropy method. We show that up to a time-dependent translation of the shock, the L² norm of a perturbed solution relative to the shock wave is bounded above by the L² norm of the initial perturbation. Finally, we include some preliminary relative entropy estimates which are suitable for a study of shock wave solutions to n x n systems of conservation laws having a convex entropy. / text

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d'améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. De manière plus générale, ce travail s'applique à tout système industriel mettant en jeu un écoulement multiphasique constitué d'un carburant liquide injecté dans une chambre occupée initialement par du gaz, comme par exemple les moteurs automobiles ou aéronautiques, ou les turbomachines. Intrinsèquement, il est possible de simuler l'ensemble de l'écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l'injection (gouttes de diamètre inférieur à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C'est pourquoi il est nécessaire d'introduire une modélisation diphasique. C'est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le coeur liquide dense proche de l'injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d'une population de gouttes polydisperse (c'est-à-dire de tailles différentes) générées après le processus d'atomisation en aval de l'injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d'applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC, en anglais). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Ces solutions reposent chacune sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d'équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l'évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d'ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments (Quadrature Method of Moment, QMOM en anglais) en une ou plusieurs dimensions d'espace. De la même manière que précédemment, l'utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d'espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l'élaboration de schémas de transport d'ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation DNS en anglais) dédié à l'évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L'extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles (dû au mouvement du piston) dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian en anglais) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d'étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d'une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d'un calcul d'injection dans une chambre de combustion d'un spray polydisperse avec le modèle EMSM.