Transportation sector is the backbone of today’s society and its being revolutionized by the development of electric cars. The subject of electrification of the fleet involves many challenges starting from building the require infrastructure all the way to securing raw material for batteries. Charging times and energy density are also two major challenges especially in heavy transportation. With current technologies it is impractical to use electric trucks as the advantages of direct injection engines are unmatched. A typical diesel car or truck has a very long range reaching around 1000 km using single fuel tank. The high energy density of fossil fuels is a corner stone of the heavy transportation sector. It is hard to imagine electric trucks without a breakthrough in battery technology that has very high energy density. High pressure combustion has great potential in extracting more power from liquid fuel. This is mainly attributed to the instant vaporization because of the vanishing surface tension once the fuel goes through a supercritical process, thus energy to vaporize the fuel is saved. Another advantage is in the better mixing that the highly dense and the highly diffused fluid possesses in that region. On the other hand, many of the modelling aspects requires to be investigated. For example, which equation of state predicts the correct density and what are the effect of the pressure and temperature dependant fluid properties on the spray development. To isolate the effect of the high pressure combustion from other possible modelling effects and to facilitate the investigation, simulations using both OpenFOAM and CONVERGE were conducted. First the morphologies of Spray C was numerically characterized under high-temperature and high-pressure conditions. The Volume of fluid method captured the cavitation properly upon using 7.8 μm mesh. The mass flow rate and the transient of the injection process were accurately captured. Implementation of appropriate high pressure models using OpenFOAM to account for real fluid effects showed that three-parameter Redlich-Kwong Peng-Robinson equation of state were superior than two-parameters realfluid equation of state. The correctness of fuel density and viscosity is dependant of the equation of state with ideal gas equation of state being inferior to the realfluid equation of state. The combustion characteristics of Spray A were investigated using coupled Eulerian-Lagrangian approach. This approach demonstrated the ability of the modeling framework in predicting wide variety of parametric effects.

L’objectif de ce travail est de concevoir un outil d’atomisation adapté à la production de poudres de carburede tungstène dans l’entreprise Technogenia, située à Saint-Jorioz (74). Plus généralement, nous avons étudiéune nouvelle conception d’atomiseur rotatif pour lequel les surfaces d’atomisation sont orientées selon un angled’incidence non nul. Une telle orientation permet alors d’exploiter de façon plus efficace la fréquence de rotationde l’atomiseur ainsi que les forces de centrifugation et de Coriolis. A partir de cette base de réflexion, troisgéométries de surface d’atomisation ont été étudiées : des surfaces lisses, des surfaces pourvues de structurationsde long de leur bord de fuite et des surfaces matricées de perforations.Les différents modes de déstabilisation des écoulements liquides ont été observés grâce à l’acquisition de vidéosultra-rapides des différentes étapes de l’impact d’une goutte unique sur les différentes géométries de surfacesd’atomisation étudiées. Les processus d’atomisation peuvent ainsi varier entre la rupture de jets liquides régulierscausée par des instabilités de type Rayleigh-Plateau et la rupture de nappes liquides causée par des instabilitésde type Rayleigh-Taylor et/ou l’initiation de perforations au coeur des nappes et films liquides. Les vidéos dessprays aqueux ainsi que l’observation au microscope des poudres métalliques nous permettent de caractériser lessprays produits. Sur l’ensemble de nos expériences nous observons que la finesse de l’atomisation s’améliore àmesure que la fréquence de rotation augmente ; ce qui constitue l’objectif prioritaire du procédé développé dans lathèse. Cependant, les surfaces texturées, certes compatibles avec les liquides classiques (aqueux ou organiques),ne le sont plus avec les contraintes induites par du métal à haute température de fusion, tel le carbure detungstène fondu objet de la thèse. En conséquence, seules les surfaces lisses sont aujourd’hui retenues et fontl’objet de développements dans le cadre de la production de poudres métalliques au sein de Technogenia. / The aim of this work is to design a spray tool for the production of tungsten carbide powder for the companyTechnogenia, located in Saint-Jorioz (74). Thus, we have studied a new design of rotary atomizer based onatomization surface oriented at a non-zero incidence angle. Such an orientation can then allow to use moreeffectively the rotation frequency of the atomizer and the centrifugal and Coriolis forces. From this base reflection,three geometries of atomization surface were studied : smooth surfaces, surfaces with serrated structurationsalong their trailing edge and multi-perforated surfaces.The different destabilization modes of liquid flows were observed through high-speed videos of the different stagesof the single drop impact on each atomization surfaces. The atomization process can thus vary between liquid jetbreakup caused by Rayleigh-Plateau instabilities and liquid sheet breakup caused by Rayleigh-Taylor instabilitiesand/or initiating of holes in liquid films or sheets. Videos of aqueous sprays and microscopic observation of metalpowders allow us to characterize sprays. On all of our experiments, we observe that the atomisation gets better(producing finer spray), as the frequency of rotation increases. Although the textured surfaces are compatiblewith usual liquids (aqueous or organical), they can’t stand the constraints imposed by metal with a high meltingtemperature such as tungsten carbide, the object of this thesis. Therefore, only the smooth surfaces are nowthe subject of an industrial development to produce metallic powder with Technogenia company.

"The primary purpose of this research was to quantify fire suppression and fire intensification phenomena for water spray application to high flash point hydrocarbon oil pool fires. Test data and analyses of the phenomena include the drop size distribution and application and delivered densities of various water sprays, and spray-induced oil cooling and oil splattering for mineral seal oil and for cooking oil 30-cm diameter pool fires. Four different types of tests were conducted as described below. A Dantec Particle Dynamic, phase Doppler, Analyzer was used to measure the water drop sizes and velocities generated by 13 selected nozzles and sprinkler heads. Most measurements were made 0.91 m (3 ft) below the nozzles/sprinklers, since this was the location of the center of the hydrocarbon pool in later fire tests. The correlations for the volume-median drop diameter, dw, were of the form , where D is the nozzle orifice and is the spray Weber number based on D and the nozzle velocity. A ring burner was designed and constructed for uniformly heating oil pool surfaces from above and igniting them. The resulting oil temperatures while the oil was heated to its flash point satisfied the one-dimensional transient heat conduction model for a semi-infinitely thick solid with a shallow heated layer near the surface. Water sprays actuated when the oil surface temperature reached its flash point rapidly cooled the heated layer and caused mixing with the cooler oil below. Fire suppression tests were conducted to determine the relationship between required water spray density, drop size, and oil temperature in order to achieve suppression. A data correlation using non-dimensional parameters was developed to quantify the fire suppression criteria for the high flash point oil fires. Oil pool fires with the higher flash point oils, such as the 291oC flash point soybean oil, could be suppressed with much lower water densities than those of the lower flash point (137oC) mineral seal oil. However, if the water spray drop sizes are sufficiently small, the lower flash point oil fires can also be extinguished with lower spray densities. The NFPA 15 specified critical water density (0.30 gpm/ft2, 12 mm/min) to extinguish high flash point pool fires is only valid for mineral seal oil when the drop size is lower than about 300 µm. It is valid with larger drop sprays only when the flash point of the oil is higher than 190 according to the correlation developed here. Spray-induced pool fire intensification tests were conducted under a fire products calorimeter for measuring heat release rates. Supplemental oil vaporization rate tests were also conducted to determine the contributions of oil vaporization and oil splattering to the intensified fire. Results showed that vaporization could only account for between 1% and 1.7% of the heat release rate in intensified mineral seal oil fires, and less than 1% of the heat release rate in intensified soybean oil fires. The remainder is due to spray-induced oil splattering, which increased with increasing drop Weber number as well as increased oil temperature. The heat release rate is enhanced by factor from 2.12 to 5.55 compared to the heat release rate of free burning cooking oil. For mineral seal oil, this ratio is in the range 0.92 to 1.25 for the spray conditions tested. Correlations with the dimensionless factors of and the Weber number of the water spray were also developed to quantify the ratio of the splattered oil to applied spray density."

Ce travail est consacré à l'étude de la propagation et de la structure des flammes dans le cas des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, un code de simulation numérique directe (DNS) est utilisé. Les équations et le modèle chimique employés dans le code de DNS sont tout d'abord présentés. Ensuite, une étude des flammes diphasiques laminaires est réalisée. Dans un premier temps, une étude analytique portant sur la dynamique d'évaporation des gouttes est proposée. L'influence importante sur le mode de combustion du rapport entre le temps de préchauffage de la goutte et le temps d'évaporation, est mise en évidence. La simulation de la propagation d'une flamme au sein d'un nuage de gouttes est réalisée et un comportement de flamme pulsée est abordée. Une étude de ces flammes en fonction de la topologie du combustible liquide nous a permis de montrer qu'elles avaient une structure de flamme double composée d'une flamme de prémélange suivie d'une flamme de diffusion. L'étude des flammes turbulentes diphasiques fait l'objet de notre dernière étude. Des DNS de l'injection de sprays monodisperses sont effectuées en variant les paramètres d'injection de la phase liquide (densité, rapport d'équivalence). La base de données obtenue nous permet de décrire les régimes de flamme locaux et globaux apparaissant dans la combustion de sprays, et qui sont répertoriés en quatre familles principales : régime externe ouvert et fermé, combustion de groupe et combustion mixte. Enfin, un diagramme de combustion est développé, impliquant le temps d'évaporation des gouttes, la distance inter-gouttes ou inter-groupes de gouttes, et enfin le rapport d'équivalence injecté.

Le modèle multi-fluide permet de décrire par une approche Eulérienne les sprays polydispersés et apparaît donc comme une méthode indiquée pour les applications de combustion diphasique. Sa pertinence pour la simulation à l'échelle d'applications industrielles est évaluée dans ce travail, par sa mise en oeuvre dans des configurations bi-dimensionnelle et tri-dimensionnelle plus représentatives de ce type de simulations. Cette évaluation couple une étude de faisabilité en terme de coût de calcul avec une analyse de la précision obtenue, par des comparaisons avec les résultats de méthodes de références pour la description des sprays. Afin de définir une telle référence, une hiérarchisation des modèles de spray est proposée dans ce travail, soulignant les niveaux de modélisation associée aux diverses méthodes. Une première configuration d'écoulements tourbillonnaires est utilisée pour caractériser la méthode multi-fluide. L'étude de la structure mathématique du système de lois de conservation permet d'analyser la formation de singularités et de fournir les outils permettant d'évaluer leur impact sur la modélisation. Cette étude permet également de dériver un schéma numérique robuste et efficace pour des configurations bi- et tri-dimensionnelle. La description des dynamiques de gouttes conditionnées par la taille est évaluée dans ces configurations tourbillonnaires au moyen de comparaisons quantitatives, sur des champs instantanés, où le multi-fluide est confronté à une méthode Lagrangienne, ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Afin d'évaluer le comportement de la méthode multi-fluide dans des configurations plus représentatives des problématiques industrielles, le solveur MUSES3D est développé, permettant, entre autres, une évaluation fine des méthodes de résolution des sprays. Une implémentation originale de la méthode multi-fluide, conciliant généricité et efficacité pour le calcul parallèle, est réalisée. Le couplage de ce solveur avec le code ASPHODELE, développé au CORIA, permet d'effectuer une évaluation opérationnelle des approches Euler/Lagrange et Euler/Euler pour la description des écoulements diphasiques à inclusions dispersées. Finalement, le comportement de la méthode multi-fluide dans des jets bi-dimensionnels et dans une turbulence homogène isotrope tri-dimensionnelle permet de montrer sa précision pour la description de la dynamique de sprays évaporant dans des configurations plus complexes. La résolution de la polydispersion du spray permet de décrire précisément la fraction massique de combustible en phase vapeur, un élément clé pour les applications de combustion. De plus, l'efficacité du calcul parallèle par décomposition de domaine avec la méthode multi-fluide permet d'envisager son utilisation à l'échelle d'applications industrielles.

Expansionen komprimierter Fluide finden breite Anwendung und werden hier mit Hilfe der Schwingungsspektroskopie untersucht. Dabei ist der Aggregatzustand der bei der Zerstäubung entstehenden Partikel von besonderem Interesse. In Abhängigkeit von Stagnationsdruck, Düsentemperatur, und Düsenabstand werden neben Lachgas tert-Butylalkohol und n-Pentan hinsichtlich ihrer Partikelbildung charakterisiert. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Expansion nahkritischer Lösungen.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O objetivo do presente trabalho foi à obtenção de aço rápido tipo AISI M2 pela técnica da conformação por “spray” e a avaliação deste, quanto ao seu desempenho quando aplicado como ferramenta de usinagem. O material obtido foi laminado a quente com razões de redução de 50 e 72%, resultando em placas a partir das quais foram confeccionadas pastilhas intercambiáveis para realização de testes de usinagem. O desempenho das pastilhas obtidas a partir do material conformado por “spray” e laminado a quente, foi confrontado com o de pastilhas confeccionadas a partir de material processado convencionalmente (lingotamento convencional), e com material processado pela técnica da metalurgia do pó (MP). As variações do material obtido por conformação por “spray”, assim como também os demais materiais, foram caracterizados química, física, mecânica e microestruturalmente. Adicionalmente, foram realizados testes de usinagem para avaliação de desempenho do material quando submetido a condições reais de trabalho. Os resultados da caracterização dos materiais evidenciaram o potencial da técnica de conformação por “spray”, em possibilitar a obtenção de materiais com boas características e propriedades. Para as condições de processamento, conformação mecânica e de tratamentos térmicos aplicados neste trabalho, às análises dos resultados dos testes de usinagem revelaram um comportamento muito próximo entre todos os materiais de ferramenta utilizados. Procedendo a uma análise mais refinada dos resultados dos testes de usinagem contínua, foi verificado um desempenho ligeiramente superior para o material obtido pela técnica da metalurgia do pó (MP), seguido pelo material obtido pela técnica da metalurgia convencional, o qual apresentou uma vantagem mínima em relação ao obtido pela técnica da conformação por “spray” e laminado com redução de 72%. Por fim, o desempenho inferior ficou por conta do material obtido pela técnica da conformação por “spray” e laminado com redução de 50%, o qual apresentou os maiores valores de desgaste. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

La certification des moteurs aéronautiques impose des fortes réductions des émissions polluantes. Une des solutions adoptées par les constructeurs est d'introduire la combustion pauvre dans les nouvelles chambres. Cette configuration pose des problèmes de stabilité de flamme et de ré-allumage en altitude. Le ré-allumage des moteurs doit être garanti et il y a une nécessité réelle de mieux comprendre les interactions complexes et multi-physiques guidant ce processus. Cette étude expérimentale vise les différentes phases de l'allumage aéronautique dans deux chambres swirlées, confinées diphasiques. Un foyer mono-injecteur permet d'analyser le développement du noyau de flamme dans ses premiers instants et de décrire comment les interactions avec l'écoulement local peuvent conduire à une réussite d'allumage ou à une ratée, via différents mécanismes. Une chambre multi-injecteur est dédiée à analyser la propagation de la flamme entre injecteurs pour différents espacements et carburants. / Jet engine certification undergoes more and more stringent controls that impose a strong reduction of pollutant emissions. As a response, designs move towards lean combustion, which raises difficulties relative to combustion stability and re-ignition capabilities in high altitude. The use of liquid fuels in real chambers introduces new variables into the ignition process, which involves complex simultaneous multi-physical interactions. The present experimental investigation addresses different phases of aeronautical ignition in two different confined, swirled, spray jet chambers. A single-injector facility is used to study the initial flame kernel development and interaction with the flow leading to successful ignition or misfire, following different mechanisms. A multi-injector facility enables the investigation of flame propagation between injectors, which is also governed by the local flow. Here, inter-injector distances are varied and fuels of different volatilities are tested.

La législation sur les émissions de polluants des Moteurs à Combustion Interne (ICEs) est de plus en plus contraignante et représente un gros défi pour les constructeurs automobiles. De nouvelles stratégies de combustion telles que la Combustion à Allumage par Compression Homogène (HCCI) et l’exploitation de stratégies d’injections multiples sont des voies prometteuses qui permettent de respecter les normes sur les émissions de NOx et de suies, du fait que la combustion a lieu dans un mélange très dilué et par conséquent à basse température. Ces aspects demandent la création d’outils numériques adaptés à ces nouveaux défis. Cette thèse présente le développement d’un nouveau modèle 0D de combustion Diesel HCCI : le dual Combustion Model (dual - CM). Le modèle dual-CM a été basé sur l’approche PCM-FPI utilisée en Mécanique des Fluides Numérique (CFD) 3D, qui permet de prédire les caractéristiques de l’auto-allumage et du dégagement de chaleur de tous les modes de combustion Diesel. Afin d’adapter l’approche PCM-FPI à un formalisme 0D, il est fondamental de décrire précisément le mélange à l’intérieur du cylindre. Par consequent, des modèles d’évaporation du carburant liquide, de formation de la zone de mélange et de variance de la fraction de mélange, qui permettent d’avoir une description détaillée des proprietés thermochimiques locales du mélange y compris pour des configurations adoptant des stratégies d’injections multiples, sont proposés. Dans une première phase, les résultats du modèle ont été comparés aux résultats du modèle 3D. Ensuite, le modèle dual-CM a été validé sur une grande base de données expérimentales; compte tenu du bon accord avec l’expérience et du temps de calcul réduit, l’approche présentée s’est montrée prometteuse pour des applications de type simulation système. Pour conclure, les limites des hypothèses utilisées dans dual-CM ont été investiguées et des perspectives pour les dévélopements futurs ont été proposées. / More and more stringent restrictions concerning the pollutant emissions of Internal Combustion Engines (ICEs) constitute a major challenge for the automotive industry. New combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and the implementation of complex injection strategies are promising solutions for achieving the imposed emission standards as they permit low NOx and soot emissions, via lean and highly diluted combustions, thus assuring low combustion temperatures. This requires the creation of numerical tools adapted to these new challenges. This Ph.D presents the development of a new 0D Diesel HCCI combustion model : the dual Combustion Model (dual−CM ). The dual-CM is based on the PCM-FPI approach used in 3D CFD, which allows to predict the characteristics of Auto-Ignition and Heat Release for all Diesel combustion modes. In order to adapt the PCM-FPI approach to a 0D formalism, a good description of the in-cylinder mixture is fundamental. Consequently, adapted models for liquid fuel evaporation, mixing zone formation and mixture fraction variance, which allow to have a detailed description of the local thermochemical properties of the mixture even in configurations adopting multiple injection strategies, are proposed. The results of the 0D model are compared in an initial step to the 3D CFD results. Then, the dual-CM is validated against a large experimental database; considering the good agreement with the experiments and low CPU costs, the presented approach is shown to be promising for global engine system simulations. Finally, the limits of the hypotheses made in the dual-CM are investigated and perspectives for future developments are proposed.