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Other titre : Réduction des pertes de chaleur par convection aux parois de la chambre de combustion des moteurs à hydrogène grâce à la combustion stratifiée par vortex

dc.contributor.advisorPlante, Jean-Sébastien
dc.contributor.authorOh, Davidfr
dc.date.accessioned2019-02-19T17:29:36Z
dc.date.available2019-02-19T17:29:36Z
dc.date.created2016fr
dc.date.issued2019-02-19
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/14946
dc.description.abstractUn procédé de combustion stratifié par vortex est introduit pour les moteurs à combustion interne et permet d’augmenter leur efficacité thermique en réduisant les pertes de chaleur par convection. Cette thèse explique tout d’abord l’état de l’art de cette nouvelle approche. Ensuite, le processus expérimental et les phénomènes au sein d’un moteur optiquement accessible à deux-temps à injection directe d’hydrogène sont étudiés en détails. Il est également présenté les observations des images strioscopiques, les résultats des mesures en zéro-dimension de pression du cylindre et de dégagement de chaleur. Les simulations sont confrontées aux essais expérimentaux pour deux types de configurations de chambre à combustion : la première permet de réaliser un mélange homogène sans mouvement de l’écoulement selon une direction particulière qui représente l’état existant des moteurs à allumage par étincelle, alors que la seconde est l’approche du type stratifié par vortex. Enfin, une étude comparative CFD à deux-dimensions (2-D) en mode transitoire a permis de mettre en évidence un potentiel de réduction d’environ 50% du flux de chaleur convectif de pointe lors de l’utilisation du procédé stratifié par vortex. Les observations expérimentales et résultats de simulation montrent que la réduction de flux de chaleur lors de l’utilisation du procédé stratifié par vortex est le résultat de la combinaison de deux effets : (1) Le temps du mélange diffusif est plus long que le temps de remplissage d’air pur lorsque l’air est rempli le long de la circonférence de la paroi de la chambre de combustion dû à l’effet Coandă. Il en résulte une stratification de la charge radiale distincte pendant la préparation du mélange lors de la course de compression ; le combustible est donc concentré au centre alors que l’air essentiellement pur est à la périphérie ; (2) Le second phénomène observé est la ségrégation forcée durant le processus de combustion, provoquée par les forces de volume dues à l’accélération gravitationnelle du mélange des gaz avec des densités différentes en rotation rapide. Il n’y a alors pas de combustion en périphérie et la propagation de la flamme se fait vers le centre de la chambre de combustion.fr
dc.description.abstractAbstract: A vortex-stratified combustion process for hydrogen-fueled reciprocating internal combustion engines is introduced to increase the thermal efficiency by reducing the convective heat transfer losses to the surrounding walls during combustion. This dissertation explains the theoretical background of this novel approach. It investigates the process experimentally in a fired, optically accessible, 2-stroke, hydrogen-fueled, direct-injected engine, presenting the schlieren observations, the results of zero-dimensional cylinder pressure indication and apparent heat release measurements comparing two combustion chamber designs – one that actualizes a homogeneous mixture without specific charge motion directionality representing current spark ignited engine practice and another with the here-introduced vortex-stratified approach. Then, a comparative, transient 2-D CFD analysis finds an approximately 50% reduction in the peak convective flux with the vortex-stratified process compared to the reference non-vortex design. The experimental observations and simulation results show that the reduced heat flux of the vortex-stratified approach is driven by the combination of two effects: (1) The first is finite-time diffusive mixing getting outpaced by the replenishment of pure air being introduced preferentially along the circumference of the combustion chamber due to the Coandă effect. This results in a distinct radial charge stratification during mixture preparation in the compression stroke with a fuel-concentrated center and essentially pure air at the periphery; (2) The second effect is the forced-segregation of different density reactants during the course of the combustion process caused by large body forces that result from the gravitational acceleration of the rapidly rotating charge, which inhibit combustion at the periphery and causes the propagating flame to curl away from the walls toward the center.fr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© David Ohfr
dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/*
dc.subjectMoteur à combustion internefr
dc.subjectHydrogènefr
dc.subjectPertes de transfert de chaleur aux paroisfr
dc.subjectÉcoulement vortexfr
dc.subjectCharge stratifiéefr
dc.subjectStrioscopiefr
dc.subjectInternal combustion enginefr
dc.subjectHydrogenfr
dc.subjectWall heat transfer lossesfr
dc.subjectVortex flowfr
dc.subjectStratified chargefr
dc.subjectSchlierenfr
dc.titleReduced convective combustion chamber wall heat transfer losses of hydrogen-fueled engines by a vortex-stratified combustion processfr
dc.title.alternativeRéduction des pertes de chaleur par convection aux parois de la chambre de combustion des moteurs à hydrogène grâce à la combustion stratifiée par vortexfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie mécaniquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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