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Simulation aux Grandes Echelles d'un moteur à allumage commandé - Evaluations des variabilités cycliques, Large Eddy Simulation of a Spark-Ignition engine - Evaluations of cycle-to-cycle variation

De
258 pages
Sous la direction de Thierry Poinsot, Ludovic Thobois
Thèse soutenue le 16 juin 2010: INPT
La réduction des émissions de polluants et la diminution de la consommation sont deux challenges fortement liés auxquels les constructeurs automobiles doivent faire face tout en maintenant les performances des moteurs. Les nouvelles stratégies telle que la réduction de la cylindrée associée à une optimisation de la boucle d'air (forte suralimentation et recirculation de gaz brûlés) possèdent ce potentiel. Cependant elles affectent la stabilité du moteur en favorisant les variations cycle à cycle (VCC) qui correspondent à une fluctuation de la combustion d'un cycle sur l'autre. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) capable de prédire les VCC d'un moteur à allumage commandé. Les prédictions sont validées grâce à une base de données expérimentale conçue à l'IFP qui leur est dédiée. Une approche graduelle est employée : l'outil numérique est tout d'abord évalué sur une configuration simplifiée de moteur à piston sans combustion, puis appliqué à un moteur à allumage commandé entraîné pour valider la prédiction de l'aérodynamique interne. Sur cette dernière configuration le couplage avec le modèle de combustion DTFLES est rajouté pour simuler deux points de fonctionnement réactifs. Chacune de ces simulations intègre un ou plusieurs points de modélisation (les tétraèdres en maillage mobile, les modèles de choc et d'allumage, et la cinétique chimique) au préalable testés sur des configurations académiques. Ce travail de recherche montre que l'approche SGE, dans un contexte de calcul massivement parallèle, est un outil prometteur dans l'étude des VCC d'un moteur à allumage commandé de conception récente.
-Moteur à allumage commandé
-Simulation aux Grandes Echelles
-Variations cycle à cycle
-Combustion
-Turbulence
A major challenge for the development of internal combustion engines is to improve fuel economy and to reduce pollutant emissions while maintaining or enhancing engine performances. New strategies using downsizing with high levels of exhaust gas recirculation have this potential, but can impact on the combustion stability and trigger high cycle-to-cycle variations (CCV). The objective of this thesis is to set a methodology based on Large Eddy Simulation (LES) to study CCV of a Spark-Ignition (SI) engine. A gradual approach is used : the numerical tool is first evaluated on a motored axisymmetric piston-cylinder assembly, and then applied on a motored SI engine to validate the in-cylinder aerodynamic predictions. On this last configuration, the coupling with the turbulent combustion model DTFLES is added to simulate two operating points of the indirect injection engine mode. Each of these simulations takes into account one or several modeling key points (tetrahedra with moving mesh, the modelings of shock and ignition, and chemical kinetics) previously tested in academic configurations. This research work shows that LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the CCV of a realistic SI engine.
-Spark-Ignition engine
-Large Eddy Simulation
-Cycle-to-cycle variations
-Combustion
-Turbulence
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0040/document
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THESE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE ’

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides


Présentée et soutenue par Benoît ENAUX
Le 16 juin 2010


Simulation aux Grandes Échelles d'un moteur à allumage
commandé - Évaluations des variabilités cycliques

JURY

J. BORÉE Professeur au LEA/ENSMA Rapporteur
O. COLIN HDR / Ingénieur à l’IFP Rapporteur
P. GUIBERT Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie Examinateur
R. BAZILE Maître de Conférence à l’IMFT Examinateur
L. THOBOIS Docteur / Ingénieur à PSA Peugeot Citroën Co-Directeur de thèse
T. POINSOT Directeur de recherche à l’IMFT Directeur de thèse


École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur de Thèse : Thierry POINSOT
Co-Directeur de Thèse : Ludovic THOBOIS
Table des matières
Table des matières 2
Remerciements 7
Nomenclature 9
1 Introduction 13
1.1 Les variations cycle à cycle ................................. 15
1.2 Etat de l’art en SGE de moteurs automobiles........................ 20
1.3 Objectifs de l’étude et choix méthodologiques ....................... 26
1.4 Organisation du manuscrit 28
I Equations et modèles pour les écoulements gazeux réactifs 29
2 Equations de conservation pour les écoulements gazeux réactifs 35
2.1 Équations et variables conservatives ............................ 35
2.2 Variables thermodynamiques ................................ 37
2.3 Équation d’état des gaz parfaits............................... 37
2.4 Diffusion moléculaire multi-espèces 38
2.5 Diffusion de la chaleur ................................... 39
34 TABLE DES MATIÈRES
2.6 Coefficients de transport diffusif .............................. 39
2.7 Cinétique chimique ..................................... 40
3 Equations pour la SGE réactive 43
3.1 Équations SGE ....................................... 44
3.2 Modèles de sous-maille ................................... 47
3.3 Modèle de combustion turbulente.............................. 49
3.4 Modélisation des frontières du domaine de calcul ..................... 55
4 Approche numérique 61
4.1 Discrétisation du domaine : une approche Cell-Vertex ................... 61
4.2 Schémas numériques .................................... 63
4.3 Avancement en temps 64
4.4 Viscosité artificielle ..................................... 65
4.5 Maillage mobile : une méthode ALE ............................ 66
4.6 Traitement des chocs 69
5 Cinétique chimique à 2 étapes propane-air 79
5.1 Données disponibles .................................... 80
5.2 Le mécanisme réduit 83
5.3 Utilisation du mécanisme à 2 étapes dans AVBP ...................... 90
5.4 Conclusion ......................................... 95
6 Modélisation de l’allumage : le modèle ED (Energy Deposition) 97
6.1 Physique d’un allumage par bougie............................. 98
6.2 Description du modèle de dépôt d’énergie ......................... 99
6.3 Tests de validation en DNS .................................100
6.4 Le modèle d’allumage ED en SGE108
6.5 Conclusion sur le modèle d’allumage par dépôt d’énergie .................12TABLE DES MATIÈRES 5
II Développement d’une méthodologie SGE en moteur entraîné 113
7 Evaluation des éléments tétraédriques en maillage mobile 117
7.1 Configuration expérimentale ................................118
7.2 numérique ..................................119
7.3 Premier calcul SGE .....................................122
7.4 Influence du raffinement de maillage ............................123
7.5 Influence du type d’élément.................................128
7.6 Conclusion .........................................131
8 Simulation SGE du banc F7P en moteur entraîné 133
LES of a motored single-cylinder piston engine .........................134
Compléments au chapitre 8 ....................................163
III Application de la méthodologie SGE en moteur avec combustion 171
9 Simulation d’un point stable du banc moteur F7P 175
9.1 Description du point de fonctionnement : le point stab_ref ................175
9.2 Stratégie numérique.....................................178
9.3 Résultats et discussion ...................................180
9.4 Conclusion .........................................202
10 Simulation d’un point instable du banc F7P 205
10.1 Description du point instab_dil ...............................205
10.2 Modélisation par SGE....................................206
10.3 Résultats...........................................210
10.4 Conclusion .........................................222
Conclusion générale 2276 TABLE DES MATIÈRES
Bibliographie 229
Annexes 241
A La décomposition en modes propres : POD 241
B Article soumis au Symposium de Combustion 243
Résumé 258Remerciements
Je tiens à exprimer ma gratitude à toutes les personnes qui ont contribué à faire des ces 3 années (...
et un bonus de 9 mois) une expérience très enrichissante.
Je remercie Thierry Poinsot d’avoir accepté de diriger cette thèse et de m’avoir donné le cadre né-
cessaire pour produire une recherche de haut niveau. Je retiens tout particulièrement la pertinence de ses
conseils. Je remercie également Ludovic Thobois pour l’encadrement de cette thèse et pour le regard
éclairé de motorise qu’il a porté sur mes résultats.
Mes remerciements vont naturellement à Jacques Borée et Olivier Colin qui ont accepté d’être rap-
porteurs de ma thèse, ainsi qu’à Philippe Guibert et Rudy Bazile pour avoir examiné ma soutenance.
Je me tourne maintenant vers les membres de l’équipe CFD du CERFACS qui m’ont accompagné
pendant cette thèse. Nombreuses sont les personnes que je souhaite remercier, je ne ferai pas de liste
exhaustive mais que toutes les personnes sachent que les années passées ici ont été un véritable plaisir
grâce à elles.
Dans un premier temps, je tiens à remercier vivement Olivier Vermorel dit "Papy Soupape" qui a gran-
dement contribué à la réalisation de cette thèse. Sa disponibilité, son soutien sans faille ainsi que les
nombreux conseils qu’il m’a prodigués m’ont indéniablement permis de mener à bien ces travaux. Merci
également à Victor Granet ou "Baby Soupape", complice de simulation de moteur à piston, qui a été
d’une aide précieuse dans la dernière année de thèse.
Je salue ensuite tous mes collègues avec qui j’ai partagé ou je partage encore le bureau et qui m’ont formé
à la CFD au cours de cette thèse. Merci à Matthieu Boileau ( M. PIXAR qui manie comme personne les
outils de visualisation), Guilhem Lacaze (qui a un peps d’enfer), Kerstin Wieczorek (qui a une sacrée
recette de vin chaud), et Yoann Cheny (enfin ... Igor Cheval) qui m’a rejoint sur la fin.
Merci également aux plus "anciens" : Eleonore Riber, Simon Mendez, Florent Duchaine, Matthieu
Leyko, Olivier Cabrit, Jean-Matthieu Senoner, sans oublier Anthony Roux que j’ai tané pour comprendre
la POD (Chuck N. n’aurait pas été de meilleur conseil).
Une autre pensée va pour tous les amis : Olivia, Nico, Sophie, Tom qui m’ont permis de m’aérer
l’esprit par les soirées et les vacances passées ensemble.
78 REMERCIEMENTS
Enfin mes derniers mots vont tout naturellement à mes parents qui m’ont permis d’évoluer dans un
cadre propice à mon épanouissement, ainsi qu’évidemment à Cécile qui a une part non négligeable dans
la réalisation de cette thèse. Elle m’a accompagné et supporté sans jamais faillir durant ces années.
Je ne peux conclure ces remerciements sans avoir une pensée pour mes grands parents, c’est à vous que
je dédie cette thèse.A la jacobienne
L ondes
M réactif ou produit k de la réaction jkj
Q taux d’avancementj
R constante universelle des gaz parfaitsNomenclature
R résidu du noeud ii
A constante pré-exponentielle
A surface de la flamme laminaireL
A surface de la flamme turbulenteT
c vitesse du sonLettres romaines
◦ C capacité calorifique à pression constanteV degré vilebrequin p
C constante du modèle de SmagorinskyA coefficient de réflexion S
C capacité calorifique à volume constantD matrice des résidus v
F tenseur des flux D diamètre de la tête de soupapeS
er` ef 1 composante du tenseur des flux D coefficient de diffusion binaireij
eme`g 2 du tenseur des flux D diffusivité moléculaire dans le mélangek
eme`h 3 composante du tenseur des flux D diffusivité thermiqueth
I matrice indicatrice E fonction d’efficacité
J flux diffusif de l’espèce k E énergie totale (non chimique) (sec-
k
tion 2.1)q flux de chaleur
E énergie interneir résidu associé à la cellule Ω
e e
E énergie d’activationaS tenseur des déformations
e énergie sensibless vecteur du terme source chimique
c
F facteur d’épaississementT taux de tumble
h enthalpie du mélangeu vecteur vitesse
c I facteur d’étirementV vitesse de diffusion corrective 0
k K étirement de la flammeV vitesse de diffusion de l’espèce k
K coefficient de relaxation de la conditionw vecteur des variables conservatives P
NSCBC
˙X vitesse de grille
K constante d’équilibreeq
˙Q terme source du modèle d’allumage ED
par dépôt d’énergie K de la réaction directef
910 NOMENCLATURE
K constante de la réaction inverse Δ diamètre du noyau de dépôt d’énergier s
(modèle ED)
L levée de la soupapeS
Δ durée du dépôt d’énergie (modèle ED)tl échelle intégralet
δ symbole de Kroneckeri,jP pression
δ épaisseur de la flammeLR rayon de la flamme
ω˙ taux de réaction de l’espèce k dans la ré-kjr constante du gaz
action j
S senseur du modèle d’épaississement dy-
ω˙ taux de réaction de l’espèce kknamique (section 3.3)
ω˙ taux de dégagement de chaleurs entropie sensible (section 2.2) T
η échelle de KolmogorovS vitesse de consommationc
S vitesse de déplacement γ exposant polytropiqued
S vitesse de flamme κ viscosité de volumeL
S vitesse de flamme turbulenteT λ conductivité thermique
T température μ viscosité dynamique
t temps ν viscosité cinématique
U vitesse du pistonP ν coefficient stœchiométrique des produits
kj
V volume de la cellule primale
e ν coefficient des réactifskj
V volume de la cellule dualei ν coefficient stœchiométrique globalkj
W masse molaire
Ω domaine de calcul (chapitre 4)
X fraction molaire
Ω fonction de présence du modèle DTF
Y fraction massique
Ω Régime moteurRPM
z fraction de mélange
Ω cellule primalee
Lettres grecques
Φ Richesse
α constante de la fonction d’efficacité
ρ masse volumique
β de la fonction d’efficacité (sec-
Σ densité de surface de flammetion 3.3.2)
σ écart typeβ exposant de la température dans la loi
d’Arrhenius τ temps de retournement associée àη
l’échelle de Kolmogorov η
Δt pas de temps
τ temps chimique
Δx taille caractéristique du maillage c
Δ taille du filtre utilisé dans le modèle τ temps de retournement associée àe t
TFLES l’échelle intégrale lt