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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Numéro d'ordre : 2336 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Dynamique des Fluides par Ludovic THOBOIS INTERET ET FAISABILITE DE LA SIMULATION AUX GRANDES ECHELLES DANS LES MOTEURS AUTOMOBILES Soutenue le 10 avril 2006 devant le jury composé de : M. P. Sagaut Professeur à l'université de Paris 6 Rapporteur M. D. Veynante Directeur de recherche au laboratoire EM2C Rapporteur M. C. Angelberger Chef de projet sur la modélisation de la combustion turbulente à l'IFP Examinateur M. T. Baritaud Chef de l'équipe aérodynamique et combustion à la direction du développement des moteurs de Ferrari Examinateur M. J. Borée Directeur-adjoint du laboratoire LEA Examinateur M. T. Poinsot Directeur de recherche à l'IMF de Toulouse Dir. de thèse Mme D. Escudié Directrice du laboratoire CETHIL Invité M. R. Lauvergne Chef de l'équipe modélisation de la combustion à la direction de la recherche de PSA Peugeot Citroën Invité Réf. CERFACS : TH/CFD/06/3

  • veynante directeur de recherche au laboratoire em2c

  • moteur

  • ambiance particulière de l'équipe cfd

  • constructeur automobile

  • combustion model

  • lauvergne chef de l'équipe modélisation de la combustion

  • direction du développement des moteurs de ferrari

  • combustion


Publié le : samedi 1 avril 2006
Lecture(s) : 39
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 193
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Numéro d’ordre : 2336
THÈSE
présentée pour obtenir le titre de
DOCTEURDE
L’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUE
DETOULOUSE
Spécialité : Dynamique des Fluides
par
LudovicTHOBOIS
INTERETETFAISABILITE
DELA
SIMULATIONAUXGRANDESECHELLES
DANSLESMOTEURSAUTOMOBILES
Soutenue le 10 avril 2006 devant le jury composé de :
M. P. Sagaut Professeur à l’université de Paris 6 Rapporteur
M. D. Veynante Directeur de recherche au laboratoire EM2C
M. C. Angelberger Chef de projet sur la modélisation de la combustion Examinateur
turbulente à l’IFP
M. T. Baritaud Chef de l’équipe aérodynamique et combustion à la
direction du développement des moteurs de Ferrari
M. J. Borée Directeur adjoint du laboratoire LEA Examinateur
M. T. Poinsot de recherche à l’IMF de Toulouse Dir. de thèse
Mme D. Escudié Directrice du laboratoire CETHIL Invité
M. R. Lauvergne Chefdel’équipemodélisation delacombustionà la Invité
direction de la recherche de PSA Peugeot Citroën
Réf.CERFACS:TH/CFD/06/3Intèrêtetfaisabilitédelasimulationauxgrandeséchelles
danslesmoteursautomobiles.
Résumé
Aveclasévérisationdesnormesenvironnementales,lesconstructeursautomobiles
sont amenés à développer des moteurs consommant et polluant moins. Ces nou
veaux moteurs fonctionnent avec des stratégies de combustion de plus en plus
complexes, qui nécessitent une maîtrise très fine du mélange air/carburant et de
l’aérodynamique interne. Les outils d’aide à la conception utilisés jusqu’alors,
comme les bancs d’essai moteur ou les calculs 3D RANS, ne permettent plus de
répondre à toutes les problématiques rencontrées lors du développement de ces
moteurs.Danscecontexte,lasimulationauxgrandeséchelles(LES)constitueun
outil très prometteur pour la mise au point des moteurs modernes car elle permet
d’accéder aux instationnarités de l’écoulement.
Ce travail de thèse a consisté à appliquer la simulation aux grandes échelles dans
lesmoteursautomobiles,enmontrantsonintérêt,et,endéveloppantdesméthodo
logies de calcul. Dans un premier temps, des calculs sont réalisés dans des bancs
volutes stationnaires afin de déterminer leur perméabilité (ou perte de charge)
et leur nombre de swirl. Plusieurs bancs volutes sont ainsi étudiés par difficulté
croissante au niveau de leur géométrie et de l’écoulement les traversant. Les ré
sultats LES pour chaque montrent un accord satisfaisant avec les me
suresexpérimentalescorrespondantes.LaLESapermispourlagéométrielaplus
complexe d’analyser finement la typologie de l’écoulement, engendrée par deux
conduits de forme particulière et son évolution avec la levée de soupape. Dans un
deuxième temps, un modèle d’allumage (ADEL) est couplé au modèle de com
bustion turbulente TFLES. Ce dernier est ensuite adapté au contexte moteur. Le
développementdecesdeuxmodèlesapermisdesimulerlaphased’initiationetde
propagation d’une flamme dans un moteur à essence à injection indirecte. Quatre
cycles du même moteur sont ensuite enchaînés. Chacun d’eux est viable d’après
les mesures expérimentales, mais chaque cycle diffère des autres. Les variabilités
cycliques sont ensuite analysées en terme de mélange, d’aérodynamique interne,
de combustion et de rendements.
Motsclés:
simulation aux grandes échelles, bancs volutes réels, swirl, perméabilité, métho
dologies de calcul, modèle d’allumage, modèle de combustion, calculs moteur,
variabilités cycliques, tumble, rendement de cycle
3Large Eddy Simulation in Internal Combustion en
gines.
Abstract
European environmental regulations obligate automotive manufacturers to deve
loplesspollutantandlessconsumingengines.Theseenginesarewidelybasedon
new combustion strategies, where mixing and aerodynamics need to be precisely
controlled. Common aided development tools are no more adapted to predict ac
curatelyinspaceandtimeaerodynamicsandmixinginnewengines.RANScom
putations can not provide unsteady phenomena and engine test benches can not
provide all the flow characteristics due to optical access. Large eddy simulation
(LES)representsanewpromisingaideddevelopmenttoolsinceflowunsteadiness
can be predicted through the motion of large turbulent eddies.
The objectives of this work are to simulate engines geometries with the LES ap
proach,tobringtofronttheadvantagesoftheLESapproachandtoelaboratespe
cificmethodologies.Ontheonehand,LESisappliedinsteady stateflowbenches
in order to predict their discharge coefficient and their swirl number. Severalflow
benches have been tested. For all of them, LES results obtained are in agreement
with experimental measurements. The final flow bench is the more realistic flow
bench computed in this work. It is composed of two intake ports of a real diesel
engine.TheLESapproachgivesinsightsintotheunderstandingofflowgeneration
and its dependance on valve lift. On the other hand, an ignition model (ADEL) is
coupledtotheturbulentcombustionmodelTFLES.Thismodelisthenadaptedto
enginegeometries,wherethermodynamicalconditionschange.Thesetwomodels
are finally used to compute the combustion stroke of an indirect injection gaso
line engine. Four cycles of this engine are computed. The cycles obtained are in
agreement with experimental cycles but they all differ. Cycle to cycle variations
areanalyzedintermsofmixing,aerodynamics,combustionandengineefficiency.
Keywords:
Large Eddy Simulation, real intake ports, swirl flows, discharge coefficient, me
thodology,ignitionmodel,combustionmodel,enginecomputations,cycle to cycle
variations, tumble, engine efficiency
4Remerciements
Jeremercied’abordlesmembresdujurypourl’intèrêtqu’ilsontportéàcetravail
de thèse. Merci à eux d’avoir accepté de participer au jury de cette thèse.
J’aimerais remercier toutes les personnes du Cerfacs pour leur convialité et leur
professionnalisme,quifontduCerfacsunlieudetravailunique.Jesouhaiteraisen
particulier remercier les personnes de l’administration, de l’informatique (qui ont
supporté mes nombreuses doléances au cours de ces trois années et toujours avec
patience),etcellesdesautreséquipesquej’aipucotoyer.J’auraisvouluremercier
certaines personnes de vive voix, qu’elles m’excusent de ne pas avoir trouvé le
temps suffisant pour le faire.
Mes profonds remerciements s’adressent ensuite à toute l’équipe CFD, qui, par
sonambianceetsonefficacité,m’apermisedeprogressersurleplantechniqueet
de m’épanouir sur le plan personnel. Merci à tous les anciens et actuels dévelop
peursd’AVBP,quiontcrééunoutiltrèspuissantàutiliser.Jen’oublieraispasceux
avecquij’aipartagédesmomentspassionnantstantauCerfacsqu’àl’extérieur.A
tous les thésards de l’équipe, les anciens comme les plus jeunes, je leur souhaite
bon vent!Jesouhaitemaintenirlecontactaveceux,etenparticulieraveclesthé
sards qui ont commencé la même année que moi. Un clin d’oeil tout particulier
s’adresse à mes collègues de bureau, qui, par leur générosité et leur sympathie,
ont fait de ces trois années une expérience très plaisante et unique où chaque jour
enestréellementunnouveau.L’ambianceparticulièredel’équipeCFD,onladoit
aussi et surtout à son chef, mon directeur de thèse. Son tempérament, son énergie
et son expertise scientifique ne peuvent laisser personne indifférent. Merci à lui
pour cela. Je le remercie également pour l’aide et l’intérêt qu’il a porté à mon
travailenparticulieràladeuxièmepartie.Undeuxièmeclind’oeil(etcertainsont
trouvélemoyend’êtredanslesdeuxclinsd’oeil)s’adresseaugroupederockmy
thique, j’ai nommé les "Last One’s". Leur son ravageur, leurs compositions très
énigmatiquesontétéunesourced’inspirationtoutaulongdemathèse.Mercien
coreàcegroupedelégende.Jedoistoutefoisleurdirequedeleurfaute,l’absence
de catharsis baguettale devient une énorme source de frustation en cet temps de
disette de batterie.
Je souhaite maintenant remercier PSA Peugeot Citroën et plus particulièrement
toutes les personnes qui m’ont aidé depuis mon entrée à PSA. C’est grâce à eux
si j’ai pu vivre de telles expériences ces quatre dernières années. Je remercie tout
particulièrement l’équipe modélisation de la combustion ainsi que certains an
ciens membres du club. Des remerciements particuliers vont à mon chef de
service qui m’a ouvert des portes qui se sont révélées à chaque fois des expériences
très riches, dans lesquelles j’ai pu à chaque fois m’épanouir et aller plus loin tout
en ayant toujours les moyens (techniques entre autres) propices et adéquates.
Enfin,jevoudraissaluermafamille,d’abordElvire,maconjointe,avecquijesou
5haite partager encore tant de choses. J’éviterais cependant à l’avenir de lui faire
partager quoique ce soit, lié à la mécanique des fluides numériques. Le test de
préparation de la soutenance n’a pas été concluant! Le test de la soutenance réa
lisé sur mes parents a produit un effet comparable... merci cependant à eux, de
m’avoir toujours soutenu dans mes études et de leur aide sans limite qu’ils ont
toujours voulu m’accorder, depuis que je suis tout petit. Je salue enfin tous les
membres de ma famille (mon frère en particulier!). Salutations à mes amis enfin,
et s’il vous plaît, faites moi grâce de m’appeler pour un mal de dos;)
A toutes et à tous, TAKE IT EASY!
6Tabledesmatières
Tabledesmatières 7
Nomenclature 9
Introduction 13
1 LEScompressibledansAVBP 17
1.1 Principe de la LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Formalisme multi espèce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Equations bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 Modèles de sous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Modèle de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Méthodes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.7 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
I Lesbancsvolutesstationnaires 53
2 Démarcheadoptée 55
2.1 Qu’est ce qu’un banc volute stationnaire? . . . . . . . . . . . . . 55
2.2 Phénomènes dans les bancs volutes . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Cheminement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3 Elargissementbrusque 67
3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Jet purement axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3 Jet vrillé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Influence du swirl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
78 TABLEDESMATIÈRES
4 Elargissementavecsoupape 111
4.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3 Etude paramétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5 Bancsvolutesd’unmoteurdiesel 137
5.1 Montage expérimental et domaine de calcul . . . . . . . . . . . . 137
5.2 Elaboration d’une méthodologie à forte levée . . . . . . . . . . . 139
5.3 Influence de la levée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
II Lescalculsmoteur 193
6 Allumageetcombustionencalculsmoteur 195
6.1 Combustion turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.2 Modélisation de l’allumage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.3 Application du modèle ADEL en 1D . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.4 Synthèse et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7 Calculsmoteur 231
7.1 Méthodologie pour le calcul moteur en LES . . . . . . . . . . . . 232
7.2 Calculs de la phase de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.3 multi cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Conclusion 281
III Annexes 285
Bibliographie 287
A PapierSAE 297
B PapierIJVD 317Nomenclature
Lettresromaines C capacité calorifique à pressionp
constante
Δ taille du maillage et du filtre
LES C capacité calorifique à volumev
constant
m˙ débit massique
D diamètred’unconduitd’admis C˙Q densité de puissance déposée
sion
par la bougie
D diamètredelaflammesphériquefL ondes d’espècek
D coefficient binaireijL onde entropiqueS
D diffusivité de l’espèce k danskL ondes de cisaillementt
le mélange
L ondes acoustiques+,−
D diamètre de la tête de soupapeS
M nombre de Mach
D diffusivité thermiqueth
M réactif et produitkj
D diamètre de la tige de soupapeT
Q taux d’avancementj
Da nombre de Damköhler
R constante universelle des gaz
E énergie par unité de masse ou
parfaits
facteur d’efficacité
R coefficientderelaxationd’une
E énergie d’activationacondition aux limites
E énergie cinétiqueC~V vecteur vitesse
e énergie sensiblesA constante pré exponentielle
F facteur d’épaississement
A surfacedepassageeffectived’unE
banc volute f fréquence
A surfacedepassagederéférence g partieirrotationnelledutenseurR kk
d’un banc volute des contraintes
c vitesse du son h enthalpie sensibles
C perméabilité d’un banc volute J flux diffusifD
910 NOMENCLATURE
k nombre d’onde U vitessemoyennedébitanteàl’en B
trée
K constantedelaréactiondirectef,j
v vitesse radiale
Kdelaréactioninverser,j
cV vitesse de diffusion corrective
k énergiecinétiqueturbulentedesgs
ksous maille V vitesse de diffusion
Ka nombre de Karlovitz W masse molaire
l longueur caractéristique w vitesse orthoradiale
L levée de soupape X fraction molaireS
M nombre de réactions Y fraction massique
+N nombre d’espèces y résolution en proche paroi
N nombre de dimension Z fraction de mélanged
F tenseur des fluxP pression
er` eP pression de référence f 1 composantedutenseurdes0
flux
q flux de chaleur
eme`g 2 composantedutenseurdes
Q degréderésolutiond’uncalculLES flux
LES
eme`h 3 composantedutenseurdes
r constante massique du gaz
flux
R résidu de la celluleΩΩ jj s vecteur des termes sources
S nombre de swirl
w vecteurdesvariablesconserva
s entropie sensible tives
S taux de déformation Lettresgrecquesi,j
ds partiedéviatricedutauxdedé β nombre de Zeldovitchij
formation
Δt pas de temps
S vitesse de flamme laminaireL δ épaisseur du front de flamme
S vitesse de flamme turbulenteT
δ de quantité de mou 2
T température vement
T de référence δ épaisseurdeflammelaminaire0 L
T température de croisement δ indice de KroneckerC ij
u vitesse axiale ω˙ taux de réactionk

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