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Intèrêt et faisabilité de la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles.

Thobois, Ludovic (2006) Intèrêt et faisabilité de la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles. (Large Eddy Simulation in Internal Combustion engines.)

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Abstract

Avec la sévérisation des normes environnementales, les constructeurs automobiles sont amenés à développer des moteurs consommant et polluant moins. Ces nouveaux 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. Dans ce contexte, la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un 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 les moteurs automobiles, en montrant son intérêt, et, en développant des méthodologies 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 résultats LES pour chaque géométrie montrent un accord satisfaisant avec les mesures expérimentales correspondantes. La LES a permis pour la géométrie la plus 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 combustion turbulente TFLES. Ce dernier est ensuite adapté au contexte moteur. Le développement de ces deux modèles a permis de simuler la phase d'initiation et de 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. ABSTRACT : European environmental regulations obligate automotive manufacturers to develop less pollutant and less consuming engines. These engines are widely based on new combustion strategies, where mixing and aerodynamics need to be precisely controlled. Common aided development tools are no more adapted to predict accurately in space and time aerodynamics and mixing in new engines. RANS computations can not provide unsteady phenomena and engine test benches can not provide all the flow characteristics due to optical access. Large eddy simulation (LES) represents a new promising aided development tool since flow unsteadiness can be predicted through the motion of large turbulent eddies. The objectives of this work are to simulate engines geometries with the LES approach, to bring to front the advantages of the LES approach and to elaborate specific methodologies. On the one hand, LES is applied in steady-state flow benches in order to predict their discharge coefficient and their swirl number. Several flow 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. The LES approach gives insights into the understanding of flow generation and its dependance on valve lift. On the other hand, an ignition model (ADEL) is coupled to the turbulent combustion model TFLES. This model is then adapted to engine geometries, where thermodynamical conditions change. These two models are finally used to compute the combustion stroke of an indirect-injection gasoline 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 are analyzed in terms of mixing, aerodynamics, combustion and engine efficiency.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Simulation aux grandes échelles - Bancs volutes réels - Swirl - Perméabilité - Méthodologies de calcul - Modèle d'allumage - Modèle de combustion - Calculs moteur - Variabilités cycliques - Tumble - Rendement de cycle. KEYWORDS : Large Eddy Simulation - Real intake ports - Swirl flows - Discharge coefficient - Methodology - Ignition model - Combustion model - Engine computations - Cycle-to-cycle variations - Tumble - Engine efficiency
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:22 March 2007

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