Simulation aux grandes échelles de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à combustion interne, Large Eddy Simulation of the liquid fuel injection in internal combustion engines

De
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Sous la direction de Bénédicte Cuenot, Adlène Benkenida
Thèse soutenue le 15 septembre 2009: INPT
Les objectifs ambitieux, fixés aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matière d'émission de polluants et de gaz à effet de serre rendent aujourd'hui indispensable une compréhension plus fine de la combustion dans les moteurs. La simulation 3D aux grandes échelles (LES) représente une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Elle permet l'étude de phénomènes transitoires complexes inaccessibles avec des moyens expérimentaux ou des méthodes de calculs traditionnelles de type RANS. Ce travail de thèse est une première étape vers la simulation LES de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à piston. Il a consisté à adapter le code de calcul aux particularités physiques de l'injection directe, technologie qui se généralise actuellement à tous les types de moteurs à piston. Dans un premier temps, et afin de s'affranchir du calcul 3D complexe en sortie d'injecteur, une méthodologie originale, consistant à initier le calcul en aval de l'injecteur, est proposée et validée sur différents cas. Pour la simulation 3D, l'approche Eulérienne mésoscopique, à laquelle est ajouté un modèle d'interaction particules-particules, est utilisée pour simuler le spray. Les simulations ont été premièrement validées par comparaison expérimentale dans des conditions proches de l'injection Diesel. De plus, une étude sur la dynamique du spray a permis de mieux comprendre son évolution et de dégager des points communs avec un jet de gaz turbulent. Des simulations complémentaires ont également montré la prédictivité de la LES sur des injections Diesel réalistes. Enfin, un premier calcul moteur à injection directe a été réalisé et a permis de valider les développements réalisés dans le cadre de cette thèse.
-Injection
-Simulation aux grandes échelles (SGE) (LES)
-Injection
-Diesel
-Spray
-Moteur
-Approche Eulérienne Mésoscopique
Car manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consumption. To respect these regulations, a better understanding of combustion processes is needed. Large Eddy Simulation (LES) is becoming a promising tool for such issues as it allows the study of complex unsteady phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments. The present work is a step towards the LES of liquid injection in piston engines. The numerical code has been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry. Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break-up and turbulence in the near-nozzle region, an original methodology, based on an injector model, has been proposed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit. Then LES 3D simulations of spray have been conducted using the Eulerian Mesoscopic approach extended to dense dispersed sprays by the addition of a particle-particle interactions model. The simulation results have been validated by comparison with experimental data in Diesel conditions with a low injection pressure. Furthermore a study on the spray dynamics has permitted to better understand its development and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work.
-Large Eddy Simulation
-Two-Phase Flow
-Mesoscopic Eulerian Formalism
-Injection
-Diesel
-Spray
Source: http://www.theses.fr/2009INPT040H/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité : Énergétique, Mécanique des Fluides


Présentée et soutenue par Lionel MARTINEZ
Le 15 septembre 2009

Titre :
Simulation aux grandes échelles de l'injection de carburant liquide
dans les moteurs à combustion interne

JURY
Jacques Borée Professeur à l'ENSMA Président
Marc Massot Professeur à l'École Centrale Paris Rapporteur
Julien Réveillon Professeur à l'Université de Rouen Rapporteur
Olivier Simonin Professeur à l'INP de Toulouse Examinateur
Adlène Benkenida Adjoint au directeur du Centre Moteurs-Énergie, IFP Examinateur
Grégory Blokkeel Ingénieur de Recherche, PSA Examinateur
Bénédicte Cuenot Chercheur au CERFACS Directrice de thèse

École doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : IFP
Directrice de Thèse : Bénédicte Cuenot

Remerciements
Mesremerciementsvontenpremierlieua` mesencadrantsdethese,` a` savoirAdlene` Benkenidadel’IFPet
Ben´ edicte´ CuenotduCERFACS.L’attentionportee´ a` monencadrementainsiqueleurgrandeexperience´
et leur serieux´ ont largement contribue´ a` la reussite´ de cette these.`
Jeremercieeg´ alementl’ensembledesmembresdujurypouravoiraccepte´ d’ev´ aluermontravailetpour
avoir interagi avec moi lors de la soutenance. Merci a` Jacques Boree´ pour avoir presid´ e´ le Jury, aux
rapporteurs Marc Massot et Julien Rev´ eillon pour avoir pris le temps de decortiquer´ mon manuscrit, a`
OlivierSimoninpoursesquestionstres` pertinentesetGregoryBlokkeelpouravoiraccepte´ dedonnerun
point de vue industriel a` mon travail.
J’adresse eg´ alement toute ma gratitude a` Stephane´ Henriot, Directeur de la TAE (Techniques d’Appli
´cations Energetiques)´ et Antonio Pires da Cruz, chef du departement´ R102 (Modelisation´ et Simulation
Systeme)` pourm’avoiraccueillidansleurequipe´ etpourm’avoirfaitconfiancea` lasuitedemathese.` Je
mesuissentitoutdesuitetres` a` l’aisedansleurequipe,´ quejetiensa` saluer.J’aitravaille´ durantcestrois
annees´ avec des personnes tres` competentes´ et tres` motivees.´ Je salue en particulier Stephane´ Richard,
Jor¨ g Anderlohr et Jean Baptiste Michel pour les discussions scientifiques, automobiles et politiques et
leurtres` bonnehumeur.Jesalueeg´ alementlesthesardes´ etthesards´ deR102commePauline,Guillaume,
Damien,Alessio,Vahid,Yohanetlesplusjeunes,pourleurjoiedevivreetl’ambiancechaleureusequ’ils
ontsudev´ elopper.Jesouhaiteboncouragea` Aymericquiareprisleflambeaudel’injectionLESetquiva
bientotˆ terminersondurlabeur.Jevoudraisremerciereg´ alementmescollegues` debureauOlivier,Pierre
etRomain.Ilmesembleimpossiblederemerciericitouteslespersonnesaveclesquellesj’aitravaille´ de
pres` ou de loin. Qu’elles trouvent ici l’expression de toute ma gratitude.
Je voudrais eg´ alement remercier l’equipe´ du CERFACS a` Toulouse qui a participe´ a` l’ev´ olution du code
de calcul et de la partie diphasique. Je remercie particulierement` Marlene,` Nicolas, Olivier et Gabriel
pour leur aide et leur disponibilite.´
Enfin, je remercie de tout mon coeur ma famille et en particulier ma femme pour son soutien sans faille
et sa comprehension´ pour mes nombreuses heures de travail tardives. Elle a su me redonner de la force
quand il m’en manquait.
3Simulation aux grandes echelles´ de l’injection de carburant liquide dans
lesmoteursa` combustioninterne
Resum´ e´
Les objectifs ambitieux, fixes´ aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matiere`
d’emission´ de polluants et de gaz a` effet de serre rendent aujourd’hui indispensable une comprehension´
plusfinedelacombustiondanslesmoteurs.Lasimulation3Dauxgrandesechelles´ (LES)represente´ une
voieprometteusepourrepondre´ a` cesenjeux.Ellepermetl’etude´ dephenom´ enes` transitoirescomplexes
inaccessibles avec des moyens experimentaux´ ou des methodes´ de calcul traditionnelles de type RANS.
Cetravaildethese` estunepremiere` etape´ verslasimulationLESdel’injectiondecarburantliquidedans
les moteurs a` piston. Il a consiste´ a` adapter le code de calcul aux particularites´ physiques de l’injec
tion directe, technologie qui se gen´ eralise´ actuellement a` tous les types de moteurs a` piston. Dans un
premiertemps,etafindes’affranchirducalcul3Dcomplexeensortied’injecteur,unemethodologie´ ori
ginale, consistant a` initier le calcul en aval de l’injecteur, est proposee´ et validee´ sur differents´ cas. Pour
la simulation 3D, l’approche Eulerienne´ mesoscopique,´ a` laquelle est ajoute´ un modele` d’interaction
particules particules,estutilis ee´ poursimulerlespray.Lessimulationsontet´ e´ validees´ parcomparaison
experimentale´ dans des conditions proches de l’injection Diesel. De plus, une etude´ sur la dynamique
du spray a permis de mieux comprendre son ev´ olution et de deg´ ager des points communs avec un jet de
gaz turbulent. Des simulations complementaires´ ont eg´ alement montre´ la predicti´ vite´ de la LES sur des
injectionsDieselrealistes.´ Enfin,unpremiercalculmoteura` injectiondirecteaet´ e´ realis´ e´ etapermisde
valider les dev´ eloppements realis´ es´ dans le cadre de cette these.`
Motscles´
Simulation aux grandes echelles,´ ecoulements´ diphasiques, modelisation´ Eulerienne´ mesoscopique,´ In
jection, Diesel, Spray
5Large Eddy Simulation of the liquid fuel injection in internal combustion
engines
Abstract
Car manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consump
tion.Torespecttheseregulations,abetterunderstandingofcombustionprocessesisneeded.LargeEddy
Simulation(LES)isbecomingapromisingtoolforsuchissuesasitallowsthestudyofcomplexunsteady
phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments.
ThepresentworkisasteptowardstheLESofliquidinjectioninpistonengines.Thenumericalcodehas
been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry.
Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break up and
turbulenceinthenear nozzleregion,anoriginalmethodology,basedonaninjectormodel,hasbeenpro
posed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit.
ThenLES3DsimulationsofsprayhavebeenconductedusingtheEulerianMesoscopicapproachexten
dedtodensedispersedspraysbytheadditionofaparticle particleinteractionsmodel.Thesimulationre
sultshavebeenvalidatedbycomparisonwithexperimentaldatainDieselconditionswithalowinjection
pressure.Furthermoreastudyonthespraydynamicshaspermittedtobetterunderstanditsdevelopment
and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection
conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct
Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work.
Keywords
Large Eddy Simulation, Two Phase Flow, Mesoscopic Eulerian Formalism, Injection, Diesel, Spray`Tabledesmatieres
Nomenclature 1
Introduction 7
´I Modelisationbi fluide 19
1 Approchevolumique 23
1.1 Definitions´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2 Methode´ de deri´ vation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
´1.3 Equation de continuite´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
´1.4 Equation de quantite´ de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
´1.5 Equation de conservation des especes` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
´1.6 Equation de l’enthalpie sensible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
´1.7 Equation de l’ener´ gie totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.8 Conservation de l’ener´ gie du systeme` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.9 Bilan des equations´ par approche volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2 Approchestatistique 37
2.1 Definitions´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Formalisme mesoscopique´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Les equations´ de la phase dispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
´2.3.1 Equations ’standard’ simplifiees´ d’AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
´2.3.2 ’standards’ filtrees´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Modelisation´ ’standard’ utilisee´ pour la phase dispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1 Modelisation´ des termes decorr´ el´ es´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7`TABLE DES MATIERES
2.4.2 Modelisation´ des termes de sous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.3 Modelisation´ des termes d’echanges´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Transfert massique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
´Echange de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Coefficient de transport : la regle` des 2/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
´ ´Traitement numerique de l’ebullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Valeur de ref´ erence´ pour l’enthalpie liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
´2.5 Quelques points d’interrogation sur l’approche mesoscopique . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.1 Validite´ du conditionnement sur la realisation´ gazeuse . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.2 Notion d’echelle´ et remise en cause de l’hypothese` de viscosite´ . . . . . . . . . 51
2.5.3 Remarque sur le sens de l’operateur´ statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6 Equations du gaz filtrees´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7 Bilan des equations´ par approche statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
´3 Conclusionssurlesequationsdiphasiquesbi fluides 55
II Dev´ eloppementsdeAVBPpourlecalculdel’injectiondirecte 57
4 Modelisation´ physiquedesecoulements´ diphasiquesdenses 61
4.1 Classification des regimes´ diphasiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Importance des collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Prise en compte des collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Modelisation´ des termes collisionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Taux de variation collisionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.2 Collisions binaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.3 Fonction de distribution paire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.4 Dev´ eloppement de Grad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.5 Theorie´ lineaire´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5 Nouvelles equations´ bi fluide pour les ecoulements´ charges´ . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5.1 Modelisation´ de la contribution cinetique´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.2 Modelisation´ de la contribution collisionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
´4.5.3 Equation de quantite´ de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
´4.5.4 Equation de conservation de RUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8`TABLE DES MATIERES
4.6 Influence des termes collisionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7 Quelques refle´ xions sur le modele` de collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.8 Quelques refle´ xions sur les equations´ du gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.8.1 Difference´ entre ecoulement´ ’dilue’´ et ’dense’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
´Equations en´ dilue´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
´ en ecoulement´ dense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.8.2 Analyse du terme correctif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 Aspectsnumeriques´ 81
5.1 Le code AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Mouvement de maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Operateur´ de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Viscosite´ artificielle pour la phase liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.1 Problematique´ des equations´ bi fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.2 Comment et ou` appliquer la viscosite´ artificielle? . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.3 Les differents´ senseurs de la phase liquide dans AVBP . . . . . . . . . . . . . . 88
Le senseur ”Jameson Riber” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Le senseur de ”Colin” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Le senseur de ”Colin Martinez” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Exemple de resultat´ obtenu avec le nouveau senseur . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Conditionlimited’injectionpourlasimulation3DdesprayDiesel.Methodologie´ etvalida
tion 97
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 FUEL 2009 - A model for the injection boundary conditions in the context of 3D Simu
lation of Diesel Spray : Methodology and Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Complement´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
III Validation 113
6.4 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.5 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.6 Governing equations and modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9`TABLE DES MATIERES
6.6.1 Carrier phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.6.2 Dispersed phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Mesoscopic Eulerian formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Closure models for Random Uncorrelated Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Closure models for subgrid terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Extension to dense sprays : collision effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Characteristic time scales for sprays and Stokes number . . . . . . . . . . . . . 124
6.7 Numerical Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.7.1 LES solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.7.2 Experimental set up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.7.3 Parameters of the simulation and boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . 125
6.7.4 Turbulent boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.8 Results and analysis of the spray behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.8.1 Effect of drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.8.2 Effect of the turbulence intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.8.3 Effect of the chamber pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.8.4 Self similarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.8.5 Droplet distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.8.6 Uncorrelated droplet velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.9 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
IV Verslasimulationdumoteura` injectiondirecte 143
7 Calculsenchambrepressurisee´ 147
7.1 Experience´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.1 Dispositif experimental´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.2 Cas sans ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.3 Cas avec ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.2 Presentation´ du calcul 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
´ ´7.2.1 Geometrie et maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2.2 Parametres` numeriques´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.3 Condition limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10

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