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Description

Niveau: Secondaire, Lycée, Première
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  • bougie dans le calcul

  • électrodes pour stab

  • application moteur

  • electrode

  • géométrie avec maillage des électrodes

  • déroulement des phases précédentes d'admission

  • modification de la géométrie


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Langue Français
Poids de l'ouvrage 4 Mo

Exrait

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Chapitre 8
Perspectives d’amélioration de la méthodologie LES 3D
Les chapitres 6 et 7 ont montré la capacité de la LES à prédire les VCC et à analyser les mécanismes à la base des VCC avec une méthodologie LES 3D. Ce chapitre s’attache à présenter des perspectives d’amélioration de la méthodologie. Il a été montré dans le chapitre 7 que l’allumage était une phase critique pour la prédiction de la combustion dans tous les points de fonctionnement simulés, l’accent a donc été mis sur cette phase dans ce chapitre. En effet, la simulation de l’allumage est basique dans la présente méthodologie LES 3D : les électrodes de la bougie ne sont pas prises en compte dans la géométrie et le modèle d’allumage est simple et éloigné de la réalité. Différentes raisons expliquent ce choix d’une simulation simple de l’allumage : (1) une raison pratique tout d’abord, lors du commencement du projet la géométrie et les caractéristiques électriques de la bougie étaient inconnues car des tests étaient toujours en cours du coté expérimental ; (2) une raison d’opportunité deuxièmement, le modèle DE était disponible dans AVBP (Lacazeet al.(2009a,b)) et avait été utilisé avec succès dans une application moteur auparavant (Thoboiset al.(2007)).
Les deux améliorations proposées dans ce chapitre sont donc :
maillage des électrodes de la bougie dans la simulation LES ; utilisation d’un modèle d’allumage construit pour les simulations moteurs à piston qui prend en compte les caractéristiques électriques de la bougie. Pour tester ces deux améliorations, quelques cycles du point de fonctionnementstab_re fet du point de fonctionnementunst_dilont été simulés à partir des cycles LES de référence. Les résultats obtenus et les conséquences de ces changements sont présentés dans ce chapitre.
PERSPECTIVES DAMÉLIORATION DE LA MÉTHODOLOGIELES 3D
8.1
Bougie utilisée lors du projet SGEmac
La bougie utilisée lors du projet SGEmac ainsi que ses caractéristiques sont présentées sur la figure 8.1.
Distance inter électrode Diamètre de l’électrode principale Energie de la bobine Résistance primaire Inductance primaire Résistance secondaire Inductance primaire
die d elec E bob R1 I1 R2 I2
1,2 mm 2 mm 630 mJ 0,53Ω 4,74 mH 10,14Ω 25.15 H
FIGURE8.1 Visualisation et caractéristiques de la bougie utilisée expérimentalement sur le banc SGEMAC.
La bougie présente une distance interélectrodes de 1,2mmet l’énergie contenue dans la bobine est très grande (630mJ) pour être sûr d’allumer à tous les cycles. La bougie est enfoncée dans le puits de bougie avec l’électrode latérale orientée du côté échappement vers admission.
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8.2
8.2 Modification de la géométrie LES : ajout des électrodes de la bougie
Modification de la géométrie LES : ajout des électrodes de la bougie
Pour prendre en compte la bougie dans le calcul LES 3D, il convient de modifier la géométrie utilisée jusqu’à présent (figure 8.2). L’enfoncement de la bougie est le même que dans l’expé rience, ainsi que toutes les dimensions de la bougie. Les sources volumiques du maillage sont conservées donc la résolution du maillage de référence est conservée dans le nouveau maillage. Le taux de compression du moteur (à 9,9 dans le tableau 3.1) est légèrement modifié (de l’ordre de 0,1 %) puisque le puits de bougie est en partie comblé par la bougie mais la variation est faible et n’a aucun effet sur les résultats. Lors de l’ajout de ces électrodes, on peut s’attendre à : (1) des pertes thermiques subies par la flamme plus importantes car elle sera directement en contact avec les électrodes lors de l’allumage ; (2) une modification de l’aérodynamique autour de la bougie qui, à priori, protégera la flamme de l’écoulement.
FIGURE8.2 Comparaison de la géométrie originale (haut) et de la géométrie avec maillage des électrodes (bas).
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PERSPECTIVES DAMÉLIORATION DE LA MÉTHODOLOGIELES 3D
8.3
Résultats
Plusieurs cycles des points de fonctionnementstab_re f(3 cycles) etunst_dil(2 cycles) ont été simulés avec le maillage des électrodes. Afin de réduire les temps CPU, ces calculs dé marrent seulement un degré avant allumage en supposant que la nouvelle géométrie n’aura pas impacté de manière conséquente le déroulement des phases précédentes d’admission et com pression. On peut cependant supposer que l’aérodynamique à proximité de la bougie n’est pas optimale car le champ de vitesse n’a que peu de temps (de l’ordre d’une centaine de microse condes) pour s’adapter à la nouvelle géométrie.
8.3.1
Pression cylindre et flux de chaleur
La figure 8.3 compare la pression cylindre pour les 3 cycles sans électrodes et les mêmes cycles resimulés avec les électrodes pourstab_re fetunst_dil. Les cycles avec les électrodes ont tous des pressions cylindre plus élevées que les cycles sans les électrodes. Cela laisse suppo ser que les pertes thermiques subies au contact des électrodes sont faibles et que l’effet principal de l’ajout des électrodes est de protéger la flamme de l’écoulement afin qu’elle se propage plus vite dans le cylindre.
(a)stab_re f
(b)unst_dil
FIGURE8.3 Comparaison de la pression cylindre pour les cycles de stab_re f et d’unst_dil avec et sans électrodes.
La figure 8.4 trace les évolutions des flux de chaleurs sur la culasse et sur les électrodes pour le cycle 14 destab_re fet 16 d’unst_dilsans et avec les électrodes.
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(a)stab_re f
(c)unst_dil
(b)stab_re f
(d)unst_dil
8.3 Résultats
FIGURE8.4 basf et Comparaison du flux de chaleur sur la culasse (haut gauche : stab_re gauche : unst_dil) et les électrodes (haut droite : stab_re f et bas droite : unst_dil) pour les cycles 14 de stab_re f et le cycle 16 d’unst_dil avec et sans les électrodes.
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PERSPECTIVES DAMÉLIORATION DE LA MÉTHODOLOGIELES 3D
Pourstab_re f, premièrement, le flux de chaleur reçu par les électrodes et bien plus faible (envi ron 50 fois) que le flux reçu par la culasse. Deuxièmement, on remarque que l’électrode centrale reçoit moins de flux de chaleur que l’électrode latérale : la flamme se propage rapidement hors du puits de bougie donc le contact avec l’électrode centrale est plus faible que le contact avec l’électrode latérale sur laquelle la flamme est projetée. Pourunst_dil, les valeurs des flux de chaleurs sont bien plus faibles que pourstab_re fcar (à cause de la dilution parN2) la température de la flamme est plus faible. La différence d’ordre de grandeur entre la culasse et les électrodes est retrouvée. Par contre, le flux de chaleur perçu par la culasse est plus faible dans le cas sans électrodes qu’avec électrodes car pourunst_dil, la flamme s’éloigne rapidement de la culasse lorsque les électrodes sont présentes pour se propa ger dans le cylindre.
8.3.2
Champs 2D
Les champs de température pour le cycle 16 avec électrodes d’unst_dil(figure 8.5) sont à comparer directement avec les champs de la figure 7.2. Ce cycle présente, sans maillage des électrodes, une extinction de flamme après la séparation du noyau initial sur le coin de la cu lasse et du puits de bougie. Avec les électrodes maillées par contre, figure 8.5, la propagation de flamme est très différente. Dû au contact avec les électrodes, la flamme est protégée de l’écoulement dans les premiers instants de sa propagation. La flamme ne se sépare plus au coin (puisque celuici n’existe plus, l’électrode l’a remplacé) et la flamme se propage directement en une poche plus homogène dans le reste de la chambre. Ainsi, la pression maximale du cycle est bien plus importante et tout le carburant contenu dans le cylindre a le temps d’être consommé. La présence de flamme du pointunst_dilest légèrement déviée sur le côté échappement (fi gure 6.17) pour la LES en comparaison avec l’expérience. La température est représentée sur la figure 8.6 pour les 2 cycles avec et sans électrodes. On aurait pu penser que dans les cycles où les électrodes ne sont pas maillées, la flamme n’est pas accrochée et donc est beaucoup plus convectée que la normale. Cependant, l’influence des électrodes sur la présence de flamme semble mitigée. La flamme est présente beaucoup plus tôt dans le plan pour le cycle 16 avec électrodes mais elle est toujours située sur la gauche de la chambre. Pour le cycle 17, la flamme est légèrement décalée côté admission pour le cycle avec les électrodes maillées.
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50 DV
49 DV
48 DV
47 DV
46 DV
45 DV
35 DV
25 DV
8.3 Résultats
FIGURE8.5 Visualisation du champ de température LES (noir : T=300K et blanc : T>1400K) pour le cycle 16 d’unst_dil avec les électrodes.
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PERSPECTIVES DAMÉLIORATION DE LA MÉTHODOLOGIELES 3D
26 DV
Cycle 16 Sans électrodes
Cycle 16 Avec électrodes
Cycle 17 Sans électrodes
Cycle 17 Avec électrodes
18 DV
10 DV
FIGURE8.6 Visualisation du champ et d’isolignes de température dans le plan de visualisation PLIF pour 2 cycles d’unst_dil avec et sans électrodes à 26 DV, 18 DV and 10 DV. Le mélange est allumé à 50 DV en (x=0,y=0).
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8.4
8.4.1
8.4 Modèle d’allumage Imposed Stretch Spark Ignition Model (ISSIM)
Modèle d’allumage Imposed Stretch Spark Ignition Mo del (ISSIM)
Présentation du modèle ISSIM
Le modèle ISSIM développé dansColin & Truffin(2011) est une extension pour la LES du modèle d’allumage RANS pour les moteurs à piston AKTIM deDuclos & Colin(2001). Ce nouveau modèle a pour principal avantage par rapport au modèle DE utilisé dans la présente étude de s’affranchir du choix arbitraire de l’énergie déposée et de la durée du dépôt lors de l’allumage car il prend en compte les caractéristiques électriques de la bougie pour déterminer l’énergie déposée et la durée du dépôt. Il est la juxtaposition de trois modèles qui permettent de calculer :
;l’instant de claquage la quantité d’énergie déposée ; la longueur de l’étincelle.
Claquage
La tension entre les électrodes de la bougie (Vspkpourspark) va être calculée à chaque itération puis comparée à une tension de claquage (Vbdpourbreakdown) tirée de corrélations expérimentales (Verhoeven(1995);Reinmann(1998)). La tension de la bougie est exprimée de la façon suivante d’aprèsKim & Anderson(1995) :
Vspk=Va f all+Vc f all+Ve f f
(8.1)
AvecVa f all=18,75Vla valeur chute de l’anode,Vc f all=259,6Vla valeur chute de la cathode pour l’inconel, un alliage de nickel, chrome et fer représentatif des bougies standards (Pischin ger & Heywood(1990)). L’expression deVfe f qui est la tension de la colonne de gaz entre les deux électrodes s’exprime d’aprèsPashleyet al.(2000) : 0,182 p Vfe f =T0die×(8.2) 0,415 i spk dieest la distance interélectrode (figure 8.1). L’intensité de la bougie est exprimée : r 2×E elec ispk=(8.3) I2
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