Validation CFD axisymétrique de modèle zonal des écoulements gazeux de chambre de combustion de moteur Diesel

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1 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS Cente d enseignement de Genoble Mémoie Mécanique des stuctues et des systèmes Validation CFD axisymétique de modèle zonal des écoulements gazeux de Auditeu: Jean-Michel BERALS Date et lieu de soutenance: à Genoble JURY: Pésident: M Geoges. Venizelos Membes: M Thiey. Balle M Eic. Fouue

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3 Abstact Résumé Detailed in-cylinde gas flows ae equied fo enhancement of the compehension of emissions geneation in HSDI Diesel engines. To povide validation pupose data to a Zonal Gas Flow simulation pogam, axi-symmetic CFD models of combustion chambes have been built unde steady state motoed engine cycle conditions. Two modelling stategies diections have been consideed fo compaisons: A geomety simplification appoach, fom eal combustion chambe shape, epesenting the bowl in piston featues, to a bloc cylindical shape model, has been achieved, togethe with the geneation of vaious coase and fine mesh esolutions to assess thei sensitivity on the solution domain. The wok has been pefomed in two stages: Fist, closed cycle models to investigate the main lage scale stuctues inside the cylinde such as swil solid body otation, one dimension squish stuctue, tumble votices and eciculation gas flows, and enhancement of tubulence levels up to the point of fuel injection. Numeical teatment of the walls bounday layes has been achieved at low computational cost. Then, idealized inlet pots as bounday conditions have been added to povide infomation of the swil geneated by the intake flows. Useful infomation data ae povided, including heat tansfe coefficients to the walls and ecommendations on the combustion chambe geomety and discetisation pactices ae given fo the implementation into the ZGF pogam. Keywods: Computational Fluid Dynamics (CFD) Compessible gas flows Tubulence Swil Squish Diesel engine Combustion chambe Intake Les écoulements de gaz détaillés dans les cylindes sont nécessaies pou amélioe la compéhension de la poduction des émissions dans les moteus Diesel HSDI. Pou founi des données à des fins de validation pou un pogamme de simulation zonal des écoulements de gaz, des modèles CFD axisymétiques de chambes de combustion ont été constuits dans des conditions de cycle moteu entainé en égime établi. Deux diections pou la statégie de modélisation ont été considéées pou compaaisons: Une démache de simplification de géométie, d'une fome de chambe de combustion éelle epésentant les caactéistiques de piston à cuvette, à un modèle de fome bloc cylindique, a été éalisée, en paallèle avec la généation de maillages de difféentes ésolutions pou évalue leu sensibilité su le domaine de solution. Le tavail a été éalisé en deux phases: d'abod, une investigation des modèles en cycle femé su les pincipales stuctues de gande échelle à l'intéieu du cylinde, telles que la otation de cops solide, swil, la stuctue unidimensionnelle de squish, les toubillons de tumble ainsi que les eciculations de gaz, et la mise en évidence des niveaux de tubulence jusqu'au point d'injection de cabuant. Le taitement numéique des couches limites aux paois a été effectué à faible coût numéique. Ensuite, des pots d'entée idéalisés ont été ajoutés comme condition aux limites pou acquéi des infomations le swil généé pa les écoulements d'admission. Les infomations nécessaies sont founies, y compis les coefficients de tansfet themique aux paois et des ecommandations su la géométie de la chambe de combustion et les patiques de discétisation sont données pou leu implantation dans le pogamme ZGF. Mots clés: Dynamique des fluides numéique - Ecoulements compessibles - Tubulence - Swil - Squish - Moteu Diesel - Chambe de combustion Admission

4 Remeciements Je emecie tout d abod J. Gay Hawley pou m avoi accueilli et guidé avec enthousiasme au sein du goupe de echeche Automotive PVRC de l univesité de Bath, et avoi maintenu une ambiance de tavail chaleueuse et conviviale pendant mon séjou. Je emecie également D Mike Wilson pou ses conseils avisés et son appot scientifique su les méthodes de dynamique des fluides numéiques et l utilisation des logiciels de CFD. Ma econnaissance va aussi à Niall Campbell pou sa disponibilité et l assistance qu il m a appotée au quotidien. Enfin, ma gatitude va ves Fank J. Wallace, pofesseu éméite, pou avoi patagé avec moi son expéience enichissante los de nos discussions su les simulations des moteus à combustion intene. Finalement, mes emeciements enves mes contacts à la société Fod Moto, en paticulie D-Ing. F. And Sommehoff et Boyd Fench pou leu suppot et les infomations techniques su les moteus Diesel en cous de développement.

5 Sommaie Liste des figues et tableaux. Liste des symboles & abéviations. Intoduction: Envionnement du pojet: Code de simulation cyclique MERLIN: Diesel Exhaust Emission Pedictive Capability DEEPC: Modèle d écoulement multi zone ZGF:...6. Dynamique des gaz dans les moteus à compession intene: Equations de consevation Fomulation instantanée: Equation de consevation de la masse: Equation de consevation de la quantité de mouvement: Equation de consevation des quantités scalaies: Equations de l écoulement moyen: Equation de continuité: Equation de consevation de la quantité de mouvement: Equation de consevation des quantités scalaies: Conditions aux limites: Conditions aux limites de paoi: Fonctions de paoi: Conditions aux limites d admission: Conditions aux limites cycliques Modélisation de la tubulence: Pincipe de la tubulence: Modèle de tubulence: Pincipe de la viscosité diffusion des toubillons: Modèle de tubulence à deux équations K - ε Swil atio: Méthodes numéiques pou les écoulements gazeux: Discétisation des équations de consevation: Méthode des volumes finis: Obtention d une solution pou les écoulements: L algoithme PISO: Simulations CFD en cycle femé: Moteus Diesel à injection diecte: Le moteu PUMA: L appoche axisymétique: Conditions moteu en cycle foid: Généation et pépaation des modèles en cycle femé: Statégie de modélisation: Desciption des modèles: Omega Modèle à maillage fin: Modèle Bloc cylindique Maillage fin: Modèle Omega Maillage lage: Modèle Bloc cylindique Maillage lage: Analyse de la distibution des écoulements dans le cylinde: Vaiations de la pession: Simulations des champs des écoulements avec maillage fin ente BDC et SOI: Géométie Compaaisons des ésolutions des maillages:... 49

6 Distibution des vitesses calculée apès SOI: Calculs de la tubulence: Taitement des couches limites aux paois: Simulations CFD axisymétique avec écoulements d admission: Appoche des écoulements d admission: Configuation des écoulements d admission: Position et suface des oifices d admission: Desciption des modèles: Conditions limites d admission: Conditions initiales: Débit massique de l écoulement d admission: Sensibilité à la distibution de vitesses d admission: Investigation péliminaie: Simulations du pocessus d admission: Analyse des données expéimentales: Analyse des écoulements d admission: Caactéistiques de l écoulement d admission: Compaaisons des pofiles de vitesses d admission: Sensibilité de la position des conditions limites d admission: Sensibilité de la ésolution de la gille aux conditions d admission: Conditions d admission avec maillage lage: Modèle à maillage lage avec taitement des couches limites: Sensibilité de la gille de ésolution su la tubulence: Pévisions de tansfet de chaleu du gaz aux paois: Discussion: Champs des vitesses: Niveaux de vitesses: Squish: Swil: Stuctue du votex de tumble: Stuctues d échelles inféieues: Stuctue de la tubulence: Niveaux de tubulence: Modèle de tubulence: Analyse numéique: Maillage du domaine de solution: Fome du domaine de solution: Pesciption des conditions limites d admission: Couche limite et smeaing: Conditions initiales Paois adiabatiques Tansfet de chaleu: Taitements numéiques:...9 Conclusion:...95 Bibliogaphie:...97 Annexe A: Vaiables d entée du pogamme Zonal Gas Flow A-1 Annexe B: Généation du maillage dans Sta-CD B-1 Annexe C: Commandes Posta - Mobilité du maillage C-1 Annexe D: Résultats pou les modèles en cycle femé. D-1 Annexe E: Taitement des couches limites E-1 Annexe F: Modèles avec admission. F-1 Annexe G: Simulations pou validation. G-1

7 Liste des figues & tableaux: Chapite 1: Figue 1.1: Gille de maillage du ZGF. Chapite : Figue.1: Fonction de paoi. Figue.: Distibution de la vitesse moyenne pès des paois dans un écoulement tubulent. Chapite 3: Figue 3.1: Gille de ésolution dans le plan - θ pou la vaiable φ Figue 3.: Gille de ésolution dans le plan z. pou la vaiable φ Chapite 4: Tableau 4.1: Caactéistiques du moteu PUMA. Figue 4.: Position des soupapes dans la face de la culasse Plan de la culasse du PUMA Fod. Figue 4.3: Géométie du piston Plan Fod. Figue 4.4: Fome des pots d admission du moteu PUMA. Figue 4.5: Diagamme epésentation de la statégie de modélisation. Figue 4.6 a à d: Maillage des difféents modèles. Figue 4.7: Géométie de la cuvette du piston pou le modèle CFD Omega. Tableau 4.8: Popiétés de l ai. Tableau 4.9: Popiétés des modèles. Tableau 4.10: Paamètes du modèle de tubulence K-ε. Tableau 4.11: Paamètes des conditions initiales. Figue 4.1: Distibution des vitesses de swil initial. Figue 4.13: Localisation des conditions aux limites. Figue 4.14: Repésentation du mécanisme bielle manivelle. Tableau 4.15: Paamètes de contôle pou les calculs tansitoies PISO. Tableau 4.16 : Paamètes des modèles en cycle femé. Figue 4.17: Pession absolue pou le modèle Omega Maillage fin. Figue 4.18: Pession absolue pou le modèle Omega Maillage lage. Figue 4.19: Calcul de l élévation de pession isentopique. Figue 4.0: Vitesses axiales-adiales à SOI sans swil initial. Figue 4.1: Vitesses de swil sans swil initial. Tableau 4.: Topologie du modèle à maillage lage pou le taitement des couches limites. Chapite 5: Figue 5.1: Caactéistiques de l ensemble pots d admission soupapes. Figue 5.: Pofil de la section d écoulement d admission. Figue 5.3: Position de l écoulement d admission. Figue 5.4 a & b: Repésentation de la diection de l'écoulement à la sotie des soupapes. Figue 5.5 a à h: Pofils de vitesse d'alimentation adiaux - tangentiels. Figue 5.6: Vitesses de swil à IVC généées pa les écoulements d admission apès BDC. Figue 5.7: Vitesses axiales - adiales à SOI généées pa les écoulements d admission apès BDC. Tableau 5.8 : Paamètes aux conditions limites d'admission.

8 Tableau 5.9: Caactéistiques des conditions limites d admission. Chapite 6: Tableau 6.1 : Caactéistiques des odinateus Tableau 6. : Duées de taitement du pocesseu Tacés des modèles CFD: Annexe D: Résultats pou les modèles en cycle femé: Patie 1: Modèle Omega en cycle femé- Maillage fin. Figue 1.a: Maillage. Figue 1.b: Vitesses axiales adiales à 150 BTDC. Figue 1.c: Vitesses de swil à 150 BTDC. Figue 1.d: Vitesses axiales adiales à 80 BTDC (compession). Figue 1.e: Vitesses de swil à 80 BTDC (compession). Figue 1.f: Vitesses axiales adiales à SOI. Figue 1.g: Vitesses de swil à SOI. Figue 1.h: Vitesses axiales adiales à TDC. Figue 1.i: Vitesses de swil à TDC. Figue 1.j: Vitesses axiales adiales à 0 ATDC. Figue 1.k: Vitesses de swil à 0 ATDC. Figue 1.l: Viscosité tubulente à SOI. Figue 1.m: Viscosité tubulente à TDC. Figue 1.n: Enegie cinétique de la tubulence à SOI. Figue 1.o: Vitesses de swil calculées au sommet de la cuvette. Patie : Modèle Bloc cylindique en cycle femé- Maillage fin. Figue.a: Maillage. Figue.b: Vitesses axiales adiales à 150 BTDC. Figue.c: Vitesses de swil à 150 BTDC. Figue.d: Vitesses axiales adiales à 80 BTDC (compession). Figue.e: Vitesses de swil à 80 BTDC (compession). Figue.f: Vitesses axiales adiales à SOI. Figue.g: Vitesses de swil à SOI. Figue.h: Vitesses axiales adiales à TDC. Figue.i: Vitesses de swil à TDC. Figue.j: Vitesses axiales adiales à 0 ATDC. Figue.k: Swil velocities at 0 ATDC. Figue.l: Viscosité tubulente à SOI. Figue.m: Viscosité tubulente à TDC. Figue.n: Enegie cinétique de la tubulence à SOI. Figue.o: Vitesses de swil calculées au sommet de la cuvette. Patie 3: Modèle Omega en cycle femé- Maillage lage. Figue 3.a: Maillage. Figue 3.b: Vitesses axiales adiales à 150 BTDC. Figue 3.c: Vitesses de swil à 150 BTDC. Figue 3.d: Vitesses axiales adiales à SOI. Figue 3.e: Vitesses de swil à SOI. Figue 3.f: Vitesses axiales adiales à TDC.

9 Figue 3.g: Vitesses de swil à TDC. Figue 3.h: Vitesses axiales adiales à 0 ATDC. Figue 3.i: Vitesses de swil à 0 ATDC. Figue 3.j: Viscosité tubulente à SOI. Figue 3.k: Enegie cinétique de la tubulence à SOI. Figue 3.l: Vitesses de swil calculées au sommet de la cuvette. Patie 4: Modèle Bloc cylindique en cycle femé- Maillage lage. Figue 4.a: Maillage. Figue 4.b: Vitesses axiales adiales à 150 BTDC. Figue 4.c: Vitesses de swil à 150 BTDC. Figue 4.d: Vitesses axiales adiales à SOI. Figue 4.e: Vitesses de swil à SOI. Figue 4.f: Vitesses axiales adiales à TDC. Figue 4.g: Vitesses de swil à TDC. Figue 4.h: Vitesses axiales adiales à 0 ATDC. Figue 4.i: Vitesses de swil à 0 ATDC. Figue 4.j: Viscosité tubulente à SOI. Figue 4.k: Enegie cinétique de la tubulence à SOI. Figue 4.l: Vitesses de swil calculées au sommet de la cuvette. Annexe E: Taitement des couches limites: Patie 5: Modèle Omega Conditions limites de paois avec maillage fin. Figue 5.a: Identification des paois et paamète y+ à SOI. Figue 5.b: Echantillons de paois et paamète y+ à SOI. Figue 5.c: Paamète y+ pou les fonctions de paois logaithmiques. Patie 6: Modèle Bloc cylindique - Conditions limites de paois avec maillage fin. Figue 6.a: Identification des paois et paamète y+ à SOI. Figue 6.b: Echantillons de paois et paamète y+ à SOI. Figue 6.c: Paamète y+ pou les fonctions de paois logaithmiques. Patie 7: Modèle Omega - Conditions limites de paois avec maillage à faible ésolution. Figue 7.a: Identification des paois et paamète y+ à SOI. Figue 7.b: Paamète y+ pou les fonctions de paois logaithmiques. Patie 8: Modèle Bloc cylindique - Conditions limites de paois avec maillage à faible ésolution. Figue 8.a: Identification des paois et paamète y+ à SOI. Figue 8.b: Paamète y+ pou les fonctions de paois logaithmiques. Patie 9: Modèle Bloc cylindique - Conditions limites de paois avec maillage à faible ésolution. Figue 9.a: Vue du maillage. Figue 9.b: Détail du maillage à poximité de la lève de la cuvette. Figue 9.c: Identification des paois et paamète y+ à SOI. Figue 9.d: Paamète y+ pou les fonctions de paois logaithmiques. Figue 9.e: Détail du paamète y+ ves TDC. Figue 9.f: Détail du paamète y+ ves BDC. Figue 9.g: Vitesses axiales adiales à SOI.

10 Figue 9.h: Vitesses de swil à SOI. Figue 9.i: Identification des paois et paamète y+ coigés à SOI. Figue 9.j: Vitesses axiales adiales à SOI pou le maillage coigé. Figue 9.k: Vitesses de swil à SOI pou le maillage coigé. Annexe F: Modèles avec admission: Patie 10: Compaaisons des pofils de vitesses d admission. Figue 10.a: Vitesses axiales adiales à SOI.- Réféence. Figue 10.b: Vitesses de swil à SOI.- Réféence. Figue 10.c: Vitesses axiales adiales à 90 ATDC (pocessus d admission) avec le pofil de vitesses (a). Figue 10.d: Vitesses axiales adiales à 90 ATDC (pocessus d admission) avec le pofil de vitesses (g). Figue 10.e: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission autou de l axe des soupapes (a). Figue 10.f: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission autou de l axe de la chambe (c). Figue 10.g: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g). Figue 10.h: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g). Figue 10.i: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission (g) Généation de swil plus élevée. Figue 10.j: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Généation de swil plus élevée. Figue 10.k: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Généation de swil plus élevée. Patie 11: Sensibilité de la position d admission. Figue 11.a: Position de la condition limite d admission ves l axe de la chambe. Figue 11.b: Position de la condition limite d admission ves la paoi du cylinde. Figue 11.c: Vitesses de swil à IVC avec la position de l admission ves l axe de la chambe. Figue 11.d: Vitesses de swil à IVC avec la position de l admission ves la paoi du cylinde. Figue 11.e: Vitesses axiales adiales à SOI avec la position de l admission ves l axe de la chambe. Figue 11.f: Vitesses de swil à SOI avec la position de l admission ves l axe de la chambe. Figue 11.g: Vitesses axiales adiales à SOI avec la position de l admission ves la paoi du cylinde. Figue 11.h: Vitesses de swil à SOI avec la position de l admission ves la paoi du cylinde. Patie 1: Sensibilité de la ésolution du maillage su les conditions d admission Modèles Bloc cylindiques. Figue 1.a: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Maillage fin. Figue 1.b: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Maillage fin. Figue 1.c: Vitesses axiales adiales à 90 ATDC (pocessus d admission) avec le pofil de vitesses (g) Maillage à faible ésolution. Figue 1.d: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission (g) Maillage à faible ésolution. Figue 1.e: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Maillage à faible ésolution.

11 Figue 1.f: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Maillage à faible ésolution. Patie 13: Conditions d admission avec les maillages à faible ésolution. Figue 13.a: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission (g) Modèle Omega. Figue 13.b: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Modèle Omega. Figue 13.c: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Modèle Omega. Figue 13.d: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Modèle Bloc cylindique. Figue 13.e: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Modèle Bloc cylindique. Patie 15: Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Figue 15.a: Maillage. Figue 15.b: Vitesses de swil à IVC avec le pofil de vitesses d admission (g). Figue 15.c: Vitesses axiales adiales à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g) Figue 15.d: Vitesses de swil à SOI avec le pofil de vitesses d admission (g). Figue 15.e: Enegie cinétique de la tubulence à SOI Figue 15.f: Viscosité tubulente à SOI. Annexe G: Simulations pou validation: Patie 14: Données de validation CFD en fonction de la position angulaie. Figue 14.a: Vitesses axiales adiales. Figue 14.b: Vitesses de swil. Figue 14.c: Enegie cinétique de la tubulence. Figue 14.d: Viscosité tubulente. Figue 14.e: Dissipation de la tubulence. Figue 14.f: Enthalpie statique. Figue 14.g: Coefficients de tansfet de chaleu. Figue 14.h: Tempéatues aux paois. Patie 16: Simulation des paamètes themiques du gaz aux paois. Figue 16.a: Coefficients de tansfet de chaleu à SOI Maillage fin Omega. Figue 16.b: Tempéatues aux paois à SOI - Maillage fin Omega. Figue 16.c: Coefficients de tansfet de chaleu à IVC Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Figue 16.d: Tempéatues aux paois à IVC Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Figue 16.e: Coefficients de tansfet de chaleu à SOI Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Figue 16.f: Tempéatues aux paois à SOI - Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Patie 17: Sensibilité de la ésolution du maillage su la tubulence. Figue 17.a: Enegie cinétique de la tubulence à IVC. - Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois.

12 Figue 17.b: Viscosité tubulente à IVC. - Modèle Bloc cylindique avec taitement du maillage pès des paois. Figue 17.c: Enegie cinétique de la tubulence à IVC. Maillage à faible ésolution Omega. Figue 17.d: Viscosité tubulente à IVC. Maillage à faible ésolution Omega. Figue 17.e: Enegie cinétique de la tubulence à SOI. Maillage à faible ésolution Omega. Figue 17.f: Viscosité tubulente à SOI. Maillage à faible ésolution Omega.

13 Liste des symboles & abéviations CFD: Computational Fluid Dynamics Dynamique des fluides numéique. ZGF: Zonal Gas Flow Ecoulement de gaz zonal DEEPC: Diesel Exhaust Emission Pedictive Capability. HSDI: High Speed Diect Injection IVO Inlet Valve Opening. Ouvetue des soupapes d admission. IVC: Inlet Valve Closing Femetue des soupapes d admission. BDC: Bottom Dead Cente Point mot bas. ABDC Afte Bottom Dead Cente.- Apès le point mot bas. SOI: Stat Of Injection Début de l injection. BTDC:Befoe Top Dead Cente Avant le point mot haut. TDC: Top Dead Cente Point mot haut. CO: Cabon Oxide Oxyde de cabone. CO: Cabon Dioxide Dioxyde de cabone. HC: Unbunt Hydocabons Hydocabues imbulés. NOx: Nitogen Oxide Oxyde d azote SOx: Sulphu Oxide Oxyde de soufe u Vitesse adiale m/s v Vitesse tangentielle m/s w Vitesse axiale m/s ω Vitesse angulaie d/s Coodonnées adiale dans le système de coodonnées cylindique θ Coodonnées tangentielle dans le système de coodonnées cylindique z Coodonnées axiale dans le système de coodonnées cylindique C p Chaleu spécifique à pession constante. J/(kg. K) C v Chaleu spécifique à volume constant. J/(kg. K) k Conductivité themique ρ Densité kg/ P Pession Pa. µ Viscosité dynamique. kg/m.s K Enegie cinétique de la tubulence. m /s ε Taux de dissipation de la tubulence. m /s 3 C ε1, C ε, C ε3, C ε4, C µ Coefficients empiiques pou le modèle de tubulence K-ε σ k Nombe de Pandtl pou l énegie de la tubulence σ ε Nombe de Pandtl pou la dissipation de la tubulence κ Constante de Von Kaman E Paamète de ugosité y + Paamète sans dimension pou la loi de paoi logaithmique Zs Couse du piston L Longueu de la bielle du piston R Rayon du vilebequin α Angle du vilebequin δt Incément de temps pou le calcul tansitoie δtc Temps caactéistique pou la convection et la diffusion.

14 δl Dimension moyen du maillage U Vitesse caactéistique Γ Diffusivité caactéistique. µ t Viscosité dynamique de la tubulence. Pa.s A Suface de l écoulement d admission Dp Diamète du pot Ds Diamète de la tige de la soupape m Masse du gaz o Débit massique m V Volume. T Tempéatue absolue ( K) I Intensité de la tubulence l Echelle de longueu de la tubulence (m) Ma Nombe de Mach a Vitesse du son (m/s) γ Rappot des capacités de chaleu spécifiques Constante de gaz spécifique.

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16 Intoduction: Avoi une bonne compéhension du champ des écoulements dans les chambes de combustion, est de pemièe impotance pou la conception et le développement des moteus Diesel pou les véhicules automobiles léges. Avec les églementations su les émissions des moteus Diesel devenant de plus en plus contaignantes, comme l est la nome euopéenne Euo V qui se concente spécialement su les éduction des émissions d oxydes d azote (Nitogen Oxydes, NOx) [8], l objectif des echeches est concenté su l amélioation des pefomances du gaz dans les cylindes, ésultant du pocessus de combustion des moteus Diesel à injection diecte. Tandis que les moteus Diesel à injection diecte à haute vitesse (High Speed Diect Injection, HSDI) sont econnus pa l industie automobile comme une souce potentielle d énegie pou les véhicules léges, ils font face à plusieus poblèmes envionnementaux majeus. Le potentiel du moteu HSDI vient de sa moinde consommation de cabuant, pa appot à tout aute moteu à combustion intene, amenant une limitation les niveaux de dioxyde de cabone à minima, ceux-ci étant une impotante péoccupation envionnementale. Il est déjà econnu pou l usage dans les centales électiques, les véhicules outies louds, les navies et les locomotives. La faible consommation de cabuant ésulte des faibles petes themiques dans la chambe de combustion, pa appot au moteu Diesel à injection indiecte, dont la suface de la chambe de combustion est plus gande pa appot au volume, et à l augmentation des petes à l aspiation à taves l étanglement de la péchambe de combustion. Cependant le moteu HSDI doit sumonte tois inconvénients pincipaux, nommément des niveaux de buits de combustion élevés, des émissions d échappement plus impotantes, pincipalement du NOx, des hydocabues non bûlés et des paticules. Tous ceux-ci sont fotement la conséquence du pocessus de combustion. Les buits de combustion élevés poviennent du taux maximum d élévation de pession des cylindes et de sa pession maximale. Comme la distibution de cabuant duant l injection n est pas unifome et la combustion n est pas instantanée, l allumage se poduit à plusieus endoits difféents et ensuite, une tès apide combustion du mélange inflammable fomé pa l ai et les gouttelettes de cabuant poduit le cliquetis caactéistique des moteus Diesel. Une éduction du buit dépend de la diminution de la quantité du mélange aicabuant pépaé duant le délai d allumage, qui devait ête aussi cout que possible. Dans les moteus à injection diecte à allumage pa compession, les niveaux de NOx augmentent. Ceci est en elation avec les appots de compession élevés, entaînant des tempéatues de combustion plus impotantes et une abondance d oxygène inhéente aux moteus Diesel. Le NOx est fomé pendant la phase de diffusion de la combustion. Pa conséquent une duée de combustion accoucie et etadée, associée avec une tempéatue plus basse, amènea à une éduction de NOx. Les hydocabues imbulés sont un poduit de la non ou incomplète combustion du cabuant. Ils sont généés pa le mélange insuffisant du cabuant et de l ai, dû à la cessation globale de la mixtion, ou à la pénétation top impotante de la vapoisation du cabuant à -1-

17 taves le gaz dans le cylinde, généant l extinction du font de la flamme à la paoi du cylinde de la chambe de combustion [9]. Une aute souce est le su-mélange du cabuant et de l ai autou de la zone de éaction, qui devient top pauve pou bûle coectement, quand le pocessus de combustion est associé à un long délai d allumage. A faible chage, la péiode de ce délai d allumage elativement plus longue pou le moteu Diesel à injection diecte, compaé à l injection indiecte, engende davantage d émissions d hydocabues imbûlés. L aggloméation de ces molécules d hydocabues pendant la combustion, qui ne sont pas oxydées pendant la couse de détente, foment aussi de la suie. Les paticules poviennent de toute substance aute que l eau, comme la suie, les hydocabues condensés, les lubifiants ou les sulfates povenant des sulfues du cabuant [9]. Elles sont une conséquence de la phase de diffusion du pocessus de combustion, et donc une péiode de combustion éduite, accomplie en augmentant le mouvement de toubillon et la pession de sualimentation, conduit à une éduction des émissions de paticules. Ce mouvement peut ête associé à de faibles petes themiques, consevant une tempéatue élevée pou pemette un meilleu pocessus de éaction d oxydation pendant la couse de détente. Tous ces polluants sont intedépendants; change un paamète du moteu peut éduie cetaines émissions mais en augmente d autes. Ils doivent ête examinés de manièe coodonnée et tout le développement d un moteu est basé su le compomis de touve un juste équilibe ente eux. Un facteu clé est de faie coesponde l écoulement de l ai dans le cylinde et la vapoisation du cabuant, avec la compéhension de la fomation de la combustion. Pa conséquent, pami d autes souces de contôle du pocessus de combustion comme la tubo-compession, le système d injection, les caactéistiques du cabuant, les systèmes de eciculation des gaz d échappement tel que l EGR (Exhaust Gas Reciculation), ou la conception des chambes de combustion, le champ des écoulements dans le cylinde est nécessaie pou compende les difféents pocessus impliqués dans la fomation des polluants. D un aute coté, la éduction des émissions ne doit pas se faie au détiment de la pefomance globale du moteu. Les moteus HSDI exigent une conception compacte avec une accentuation potée su la masse des composants. C est en elation avec les obligations accues d économies de cabuant, ainsi que de éponde à la demande d un appot élevé puissance/poids pou une gamme de vitesses impotante. Ceci pésente un défi paticulie los de la conception des éléments de la chambe de combustion, c est à die le bloc cylinde, le piston, le cylinde et la culasse, pou conseve une stuctue suffisamment igide et évite des défomations excessives. C'est pouquoi l'application de l'analyse pa la méthode des éléments finis (MEF) est utilisée pou pédie les containtes mécaniques et themiques combinées. Pou cela, les conditions aux limites themiques coté gaz pou l'analyse des tansfets themiques su les composants de moteu utilisant la méthode pa éléments finis sont nécessaies. Comme les coefficients de tansfet themique dans le cylinde vaient autant spatialement qu'avec le temps [10], les écoulements dans le cylinde couplés avec des modèles de combustion founiont les coefficients de tansfet themique du gaz ves les paois de la chambe de combustion ainsi que les tempéatues du gaz. Ils donneont une image pécise du phénomène et pemettont de touve le juste équilibe ente la fiabilité des composants de moteu exposés à des gaz de combustion à haute tempéatue et l'optimisation du efoidissement du moteu, pou évite les petes d'énegie des gaz dans la chambe de combustion, éduisant la quantité de tavail founie au piston. --

18 Dans le but d'obteni une compéhension appofondie de la distibution des écoulements dans l'espace ainsi que le temps, des techniques numéiques sont utilisés comme altenative aux études expéimentales. Ainsi, des capacités de pédiction peuvent ête appotées, qui pemettent une meilleue compéhension des poblèmes et une plus gande assuance dans la conception. La technique econnue est la mécanique numéique des fluides (Computational Fluid Dynamics - CFD). La CFD est utilisée pou ésoude les écoulements de gaz dans les chambes de combustion des moteus Diesel, ca ce sont des champs complexes qui n'ont pas de solutions analytiques connues. De plus, elle peut founi des infomations plus détaillées qu'il n est possible d'obteni avec des mesues. La pédiction du déplacement des écoulements de gaz et la généation quantitative et qualitative de données de visualisation peuvent ête éalisées avec l'utilisation d applications CFD généales. Ces moyens sont appopiés pou évalue et valide les diveses hypothèses pises pou l'étude d outils de développement de moteus à compession intene tel que le pogamme de simulation de modèle zonal d écoulements de gaz (Zonal Gas Flow - ZGF). Ce pojet contibuea à la compéhension des écoulements dans les chambes de combustion los de la couse de compession (côté foid) des moteus Diesel HSDI. Il implique des simulations CFD des phénomènes d écoulements dans une chambe de combustion pou compae avec les hypothèses pises pou le développement du modèle ZGF. L'objectif du pojet est donc d'utilise les simulations CFD comme moyen visant deux objectifs pincipaux: Valide les hypothèses pises comme base pou le modèle ZGF telles que les simplifications de géométie, la définition de la gille de ésolution, des conditions aux limites et initiales ou les conditions du modèle de tubulence. Donne des oientations pou le futu développement du pogamme de simulation ZGF basées su les investigations d écoulement de gaz effectuées au cous du pojet. En utilisant une appoche de modélisation axisymétique afin de d appote des données appopiées et pouvoi faie des compaaisons diectes avec le modèle ZGF à des fins de validation, le tavail sea effectué en deux étapes successives : Simulation des écoulements au cous de la couse de compession avec des conditions de fonctionnement en cycle foid (sans combustion), à pati du point mot bas (Bottom Dead Cente - BDC) jusqu au début de l'injection (Stat Of Injection - SOI) pou évalue le compotement pa appot aux appoches de simplification et à la connaissance actuelle des stuctues des écoulements dans les moteus Diesel HSDI. Étudie les effets des flux à l admission su les calculs des champs d écoulement éalisés à l étape pécédente. Des investigations paamétiques seont éalisées pou difféentes conditions d'admission pou mette en évidence leu influence su les pincipales caactéistiques de l écoulement et ésoude les difféences dues aux hypothèses d'appoximation. Les ésultats seont analysés avec la pespective d'évalue l'influence des écoulements gazeux su la distibution et le mélange du spay; ainsi que les coefficients de tansfet de chaleu obtenus pa le pocessus de convection.. -3-

19 Difféentes géométies simplifiées seont associées aux modèles CFD pou étudie leu sensibilité pa appot à leu niveau de détail. Leu sensibilité sea aussi analysée en vaiant des paamètes d entée comme les popiétés du gaz, des conditions aux limites, des hypothèses de modélisation, des conditions initiales, les influences extenes et les fomulations numéiques. Des données expéimentales seont utilisées pou affine les difféents modèles, afin de donne une image éaliste du mouvement des écoulements de gaz dans les cylindes de moteus Diesel HSDI. Apès avoi décit l'envionnement du pojet dans le chapite 1, le mémoie passe en evue les connaissances de base de la dynamique des fluides nécessaies pou compende le compotement des écoulements de gaz dans les moteus à compession intene dans le chapite. Etant donné que les écoulements sont de type visqueux, une desciption des équations de Navie-Stokes est donnée. La caactéisation des écoulements de fluide spécifiques aux chambes de combustion est évaluée, afin de compende les phénomènes physiques fondamentaux qui animent les simulations CFD. Ces pocessus incluent le compotement des écoulements compessibles, les couches limites et les phénomènes de fiction aux paois, les modèles de tubulence ou les écoulements de gaz paticulies encontés dans les chambes de combustion des moteus HSDI. Le chapite 3 pote su les méthodes de ésolution numéique utilisées dans les calculs CFD et la manièe dont les modèles CFD sont exécutés pa l utilisation des fonctionnalités disponibles dans le logiciel CFD utilisé pou ce tavail. Pami celles-ci, citons les conditions initiales et aux limites, la céation et le fonctionnement de maillages mobiles, les popiétés des matéiaux et la caactéisation des écoulements, le contôle du pocessus au cous de calculs tansitoies tel que c est le cas dans les chambes de combustion de moteu, ainsi que les méthodes de discétisation et l'algoithme de ésolution. Le chapite 4 détaille la statégie d investigation su les modèles et les ésultats touvés à l'aide des simulations CFD, duant le cycle femé de la chambe de combustion avec les modèles axisymétiques, et le chapite 5 est consacé à la simulation des flux d'admission comme déjà évoqué ci-dessus. Les ésultats CFD sont appotés et des infomations sont données su la statégie et les diections appopiées à suive pou le développement du modèle ZGF, ainsi qu'un moyen de validation pa la suite. Le denie chapite passe en evue les pincipaux ésultats du pojet et ésume les oientations à suive pou le développement du pogamme de simulation ZGF, en mettant en évidence les paamètes d'impotance concenant la pécision des modèles et des hypothèses de ésolution indiquées au début du pojet. Des suggestions su d'autes amélioations en utilisant des techniques expéimentales et des simulations CFD 3D.sont également appotées -4-

20 1. Envionnement du pojet: Les centes de echeche en technologie Diesel de Fod, Fod Moto Dunton Reseach & Engineeing basé à Basildon (Royaume-Uni) et Fod Foschungszentum à Aix-la-Chapelle (Allemagne), utilisent les techniques pédictives de simulation pou la echeche et développement des moteus de voitues Diesel de petite à moyenne gamme. Afin d'étudie les pefomances des moteus, des pogammes de simulation de moteu sont nécessaies, pemettant de éalise la conception de façon paamétique. De tels codes donnent à l'ingénieu une pemièe compéhension de la pévision des pefomances des moteus sans avoi d'abod à constuie un moteu. Pa conséquent ils pemettent d épagne à la fois du temps et de l'agent. Aussi leu configuation sous une fome modulaie leu donne la capacité d'adapte des modèles existants pou investigue les taux de compession, la synchonisation des soupapes, le chagement du tubo et aute vaiables en fonction des conditions spécifiques. La echeche et développement des moteus est éalisée en supeposant des systèmes appopiés utilisant des spécifications de connectivité ente difféents blocs disponibles dans ces logiciels Code de simulation cyclique MERLIN: Un tel pogamme de simulation de cycle moteu est MERLIN, un code développé pa Lloyd Registe Engineeing Sevices pou la compagnie Fod Moto. MERLIN est un logiciel pincipalement développé pou simule les pefomances des moteus à compession intene. C'est une suite de sous pogammes avancés de simulation appopiées pou l'analyse des systèmes complexes. Il est écit pou maximise la flexibilité des investigations paamétiques à taves la combinaison de modules de base. Ces composants pimaies appelés Engineeing Building Blocks (EBB) pemettent à l'utilisateu de spécifie et de choisi des combinaisons appopiées dans une bibliothèque. Cette bibliothèque est constamment en cous de développement et inclut un lage éventail de systèmes fluide, mécanique et de égulation. Chaque EBB epésente les composants classiques utilisés généalement tels que des compesseus, des tubines, des cylindes, volumes, etc. nécessaies pou l'évaluation des pefomances des moteus Diesel à vitesse lente et apide avec injection de cabuant diecte ou indiecte, et un lage éventail de systèmes d alimentation en pession. Le logiciel MERLIN est employé pou simule les pefomances pou des égimes de vitesses constants ou tansitoies des moteus, les pocessus physiques généaux tels que les tansfets de chaleu, la combustion du mélange ai/cabuant, la cinétique chimique, etc. Toutes les simulations sont dynamiques et ésolues pa appot au temps. -5-