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-

21 1.. Diesel Exhaust Emission Pedictive Capability DEEPC: L'analyse d'un de ces pocessus est éalisée pa le module de simulation Diesel Exhaust Emission Pedictive Capability (DEEPC) qui est inclus dans le code de simulation MERLIN. Il simule le spay et la combustion en modélisant le jet de cabuant de l injecteu et la pépaation du mélange avant la combustion. Il pend aussi en considéation l'atomisation du spay, l'évapoation des gouttelettes, leu pénétation dans le gaz et l'impact su les paois de la chambe de combustion. Le pogamme DEEPC contient un modèle sophistiqué de combustion où sont inclus les tansfets de chaleu pa convection et adiation. Il compote des capacités de pévision des émissions de gaz d'échappement tel que l'oxyde de cabone (Co), l'oxyde d'azote (NOx), l'oxyde de soufe (SOx), des hydocabues non bûlés (HC) et des paticules généées dans le cylinde du moteu pendant le pocessus de combustion. Il est développé en utilisant une appoche multi-zonale. Ceci peut founi une meilleue connaissance des coefficients de tansfet de chaleu côté gaz du cylinde, connu pou vaie à la fois dans l'espace et le temps [10], en mettant l accent su la vaiation de la distibution des vitesses dans le cylinde. Une pise en compte de cette vaiation peut ête éalisée en couplant ce modèle de combustion avec un modèle d'écoulement de gaz détaillé Modèle d écoulement multi zone ZGF: Une appoche multi-zonale pou les écoulements de gaz dans le cylinde a été développée à l'oigine pa Thomas Moel et Rifat Keiba [10]. Pincipalement, il divise le cylinde et la cuvette incluse dans le piston en tois zones de façon quasi bidimensionnelle. Ce pogamme ésout les vitesses axiales et adiales, le mouvement de swil, l'intensité et la longueu d échelle de la tubulence pou chaque zone. Sont également pis en compte les phénomènes de fottement aux paois et de couche limite. Ces ésultats sont couplés avec un modèle de combustion à deux zones pou défini la localisation des gaz bûlés. Les coefficients de tansfet de chaleu et les tempéatues du gaz ésultants sont fotement non-unifomes dans l'espace, à la difféence de ceux calculés à pati de coélations standad. Ces denies assument une unifomité spatiale des coefficients de tansfet de chaleu comme pou le modèle de champ d'écoulement DEEPC. Le modèle zonal d'écoulements de gaz (ZGF) en cous de développement à l'univesité de Bath adopte la même appoche que le modèle de T. Moel et R. Keiba. Il metta en évidence la distibution spatiale non-unifome des coefficients de tansfet de chaleu et des tempéatues du gaz pa l augmentation du nombe de zones dans la chambe de combustion pou le calcul des champs d'écoulement. Ces zones supplémentaies founiont plus de détails dans des endoits citiques. On le voit comme un bon compomis pou les pédictions des pefomances des moteus, ente les coélations empiiques connues sous le nom de modèles de emplissage/vidange ou à 0-Dimension et les modèles numéiques de dynamique des fluides (CFD). Les conditions pou l'initialisation des simulations des écoulements de gaz zonal incluont le champ des vitesses d'écoulement pis à la position de femetue des soupapes d'admission (Inlet Valve Closing - IVC), la cinématique du piston, la géométie de la chambe de combustion et des pipes d'admission, et les conditions initiales pou les caactéistiques du gaz (voi les vaiables d'entée du ZGF en annexe A). Ces états initiaux du gaz peuvent ête -6-

22 obtenus diectement à pati d'un pogamme de simulation de moteu comme MERLIN, qui peut founi l ouvetue et la section efficace des soupapes, ainsi que le débit à l admission. Depuis le point mot bas (Bottom Dead Cente - BDC) du piston de la chambe de combustion, le modèle ZGF fonctionnea pendant la couse de compession jusqu'au point d'injection et calculea les champs de vitesses du gaz dans le cylinde dans les diections adiales, axiales et tangentielles pa appot au mouvement du piston. Les calculs sont basés su le pincipe de consevation du mouvement obtenu en employant la méthode des volumes finis (voi chapite 3?). La stuctue du champ d'écoulement à l'intéieu du cylinde est éalisée à taves une gille catésienne unifome, adoptant une appoche axisymétique utilisant un epèe de coodonnées polaies. Cette statégie appochée de bloc-cylindique est considéée, à cause de sa simplicité dans la définition du pofil de la géométie du piston qui focalise su les pincipales difféences des fomes géométiques, c.-à-d. la pointe et la lève d entée de la cuvette du piston. Dans une pemièe étape, la gille utilise un aangement de 6x6 cellules (voi la figue,1 ci-dessous) où des cellules sont désactivées pou décie les dimensions géométiques pincipales de la cuvette du piston. Une telle quantité limitée de cellules dans la gille limitea les puissances de calcul nécessaies pendant le pocessus de simulation. Figue 1.1: Gille de maillage du ZGF Cellules désactivées Les avantages du pogamme ZGF sont de founi des pévisions des écoulements de gaz dans le cylinde d'une manièe plus pécise. Ainsi les pédictions des coefficients de tansfet de chaleu coté gaz, des tempéatues et des émissions sont susceptibles d'ête amélioées compaées aux techniques habituelles de simulation d'écoulement de gaz à 0- Dimension. Il pemetta des investigations paamétiques pou analyse de nouveaux concepts de configuation de culasse et de piston en equéant de la pat de l'utilisateu seulement quelques paamètes géométiques clé. Développé comme un outil facile à utilise compaé aux codes de simulation de dynamique des fluides, il est assumé que l'appoche du ZGF exige moins d'expetise de la pat de l'utilisateu, moins de pépaation de données d entée et un moinde besoin en puissance de calcul. Pa conséquent son développement modulaie est appopié pou l'intégation dans un code tel que le modèle de combustion DEEPC de Lloyd Registe inclus dans le code de simulation de cycle moteu MERLIN, et peut ête utilisé comme altenative des modèles déjà constuits dans le code DEEPC. -7-

23 . Dynamique des gaz dans les moteus à compession intene: Ce chapite founit une base théoique pou les écoulements dans les chambes de combustion étudiés. Les équations en coodonnées cylindiques sont pésentées, à la fois pou les popiétés des écoulements instantanés et moyennés. Un apeçu du taitement des conditions aux limites dans les zones pès des paois est exposé..1. Equations de consevation Fomulation instantanée: Les écoulements des fluides peuvent mathématiquement ête décits pa un ensemble d'équations difféentielles patielles déivé de l'analyse du volume de contôle connu sous le nom d équations de Navie-Stokes. Elles epésentent la consevation de la quantité de mouvement et, avec l'équation de continuité et l'équation de consevation des quantités scalaies, gouvenent les écoulements tubulents. Le système de coodonnées associé à ces équations coespondant aux modèles CFD axisymétiques est un système de coodonnées cylindiques, où est le ayon, θ la coodonnées tangentielle, et z l axe du cylinde de la chambe de combustion. Le poblème de la ésolution exacte des équations de consevation est une question de ésolution d'échelle. Une solution doit epésente toutes les échelles du mouvement de l écoulement, des gandes échelles coespondant aux plus gandes dimensions aux plus petites échelles, où les toubillons sont détuits pa la dissipation visqueuse. Une gille numéique de ésolution tès fine et de tès petits intevalles de temps seaient nécessaies pou ésoude tous les détails de la tubulence et demandeait un coût numéique tès élevé. Une appoche statistique est donc lagement utilisé, où les équations de consevation sont moyennées su un intevalle de temps plus long pa appot à l'échelle de temps de la tubulence. En l'absence de foces extenes les équations de consevation instantanées de la masse, de la quantité de mouvement et des quantités scalaies pou un écoulement en tois dimensions sont pésentées dans les sections suivantes Equation de consevation de la masse: U U U θ + θ z U z = 0 (.1) -8-

24 .1.. Equation de consevation de la quantité de mouvement: Dans la diection suivant : DU 1 Uθ P U Uθ = + ν ( U ) Dt ρ θ (.) Dans la diection θ: DU θ U 1 θ Uθ P U U + = + ν ( U θ + ) Dt ρ θ θ (.3) Dans la diection suivant z: DU Dt z 1 P = ρ z + ν U z (.4).1.3. Equation de consevation des quantités scalaies: Dφ = Γφ Dt φ + S φ (.5) U, U θ et Uz epésentent les composantes des vitesses instantanées suivant θ z (l exposant ( ) indique une valeu instantanée), ρ est la densité, ν la viscosité cinématique, Γφ le coefficient de diffusion pou la popiété φ et Sφ un teme souce pou φ. Les opéateus D/Dt et sont développés ci dessous : D Dt et = t + U 1 1 = + + U θ + θ + U z θ + z z (.7) (.6) Les expessions (.1) à (.5) foment un ensemble d équations exactes qui décivent chaque détail de l écoulement tubulent. Cependant, comme indiqué pécédemment, elles ne peuvent ête ésolues. La voie la plus communément utilisée pou ésoude ce poblème est de moyenne les équations su un intevalle de temps (i.e. moyenne de temps) ou échantillonne au même point en épétant l expéience (moyenne d ensemble).il est aussi nécessaie d intoduie des appoximations dans les modèles pou les nouvelles coélations inconnues qui appaaissent dans les équations de l écoulement moyen. -9-

25 Equations de l écoulement moyen: Pou obteni les équations de l écoulement moyen, les valeus instantanées de la pession P, de la vitesse U i et la popiété scalaie φ sont décomposées en composantes moyennes et de fluctuation: P = P + p U i = U i + u i φ = φ + ϕ En substituant ces expessions dans les équations de consevation de la masse, de la quantité de mouvement et des quantités scalaies (.1 à.5) et en moyennant selon = t t dt t t φ φ Où (t-t1) est long compaé à l échelle de temps de la tubulence, conduit aux équations de l écoulement moyen, epésentées en coodonnées cylindiques:..1. Equation de continuité: 0 1 = z z U U U U θ θ (.8)... Equation de consevation de la quantité de mouvement: Dans la diection suivant : 1 ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 θ θ θ θ θ θ ν ρ u u u z u u u U U U P U Dt DU z + + = (.9) Dans la diection θ: u u u u z u u u U U U P U U Dt DU z θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ ν θ ρ ) ( ) ( 1 ) ( = + (.10) Dans la diection suivant z: ) ( 1 ) ( 1 1 z z z z z u u u u u z U z P Dt DU θ θ ν ρ + = (.11)

26 ..3. Equation de consevation des quantités scalaies: Dφ 1 1 = Γφ φ ( u ) Dt z θ z ϕ) ( uϕ) ( uθϕ + S θ (.1) Les opéateus D/Dt et ont étés donnés dans les expessions (.6) et (.7). Les symboles en capitales epésentent les valeus moyennes, tandis que les lettes en minuscule epésentent les valeus fluctuantes. Une analogie avec les équations de consevations instantanées est évidente si les valeus instantanées sont emplacées pa les quantités moyennes. Cependant le pocédé de moyenne a intoduit de nouvelles coélations ente les composantes de fluctuation de la vitesse υ i υ j et ente la vitesse et les fluctuations scalaies υ i ϕ qui ont besoin d'ête évaluées soit à pati de quantités connues ou calculables. Multiplié pa la densité ρ, le teme -ρυ i υ j agit comme une containte su le fluide et est appelé containte de Reynolds. De même, l'expession -ρυ i ϕ est connue sous le nom de chaleu tubulente ou de concentation de flux, en fonction des quantités scalaies ésolues. Dans la plupat des zones des écoulements les containtes tubulentes et les flux sont beaucoup plus gands que leus homologues laminaies. Ceux-ci sont donc négligeables. Les équations (.9) à (.1) ne peuvent ête ésolues, en aison de la coélation des composantes de fluctuation, sans l'aide d'équations supplémentaies pou υ i υ j et υ i ϕ Des équations de tanspot exactes de ces coélations peuvent ête déivées, mais elles contiennent des coélations tiples, pou lesquelles d autes équations sont nécessaies. Cet enchaînement continue à tous les niveaux supéieus où des coélations d'ode supéieu appaaissent dans les équations exactes et est dénommé le poblème de femetue [6]. Des appoximations utilisant soit les quantités de l écoulement moyen ou de coélation de tubulence d ode inféieu sont nécessaies pou feme l'ensemble des équations fomé pa (.8) à (.1). Ces appoximations sont appelées des modèles de tubulence et sont discutées au chapite Conditions aux limites: Dans la section pécédente, un ensemble d'équations aux déivées patielles a été intoduit qui ne peut ête ésolu que pou un poblème paticulie, losque des conditions aux limites appopiées sont spécifiées. Les types de limites petinents dans la pésente étude sont des mus solides, des conditions d admission et des conditions aux limites cycliques. Ceux-ci sont détaillés dans les sections suivantes Conditions aux limites de paoi: De toutes les conditions aux limites, les paois solides nécessitent un taitement plus élaboé. Le modèle de tubulence adopté dans les modèles s'applique aux écoulements tubulents à nombe de Reynolds élevé. La moyenne et les fluctuations des vitesses sont égales à zéo conte les paois. Pa conséquent, cetaines zones où le nombe de Reynolds local de la tubulence ( Re t = k / ν ε ) [1] et [5] est petit et où les fottements visqueux pédominent. Ces zones, appelées sous-couche visqueuse, se distinguent des autes conditions limites pa de fots gadients et nécessitent un taitement difféent du domaine pincipal de l écoulement. -11-

27 Deux techniques de modélisation décivent les sous-couches visqueuses: La méthode de modélisation à faible nombe de Reynolds et la méthode de fonction de paoi. La pemièe méthode demande une gande quantité de points dans la gille de ésolution à poximité des paois pou ésoude les gadients élevés. Etant donné la démache de simplification abodée dans le chapite suivant, cette méthode n est pas cohéente avec les modèles à faibles ésolutions étudiés, et la méthode des fonctions de paoi utilisée est détaillée ci dessous Fonctions de paoi: Les fonctions de paoi sont utilisées pou connecte les conditions de paois à l écoulement juste à l extéieu de la sous-couche laminaie. La figue.1 [6] ci-dessous illuste une patie d'une gille de maillage à poximité d'une paoi où la distance ente les points P et W est suffisamment lage pou s assue que l écoulement tubulent soit dominant su les effets visqueux, c'est à die P se touvant juste en dehos de la sous-couche visqueuse. Figue.1: Fonction de paoi. La méthode de fonction de paoi incopoe une expession logaithmique pou elie la vitesse aux conditions de paoi [4]: U P Uτ 1 + = ln ( Ey κ ) (.13) U τ est la vitesse de fiction comme définie ci-dessous, κ est la constante de Von Kaman ( κ = 0.435), E est un paamète de ugosité avec E = 9 [4], et y+ est la distance sans dimension à la paoi. τ ( ρ 1 U w τ = ) (.14) et τ w est la containte de cisaillement à la paoi: -1-

28 1 4 1 ρ C k U P κ µ τ = P w ln ( Ey + (.15) ) où k p est l énegie cinétique au point P. La distance sans dimension à la paoi peut ête écite telle que: y ν y ν + P P y = Uτ = Cµ kp (.16) où ν est la viscosité cinématique laminaie. Il convient de note que la loi de paoi a été développée pou un écoulement unidimensionnel et que son extapolation à des écoulements de type eciculations à tois dimensions caactéistiques des chambes de combustion de moteu dans cette étude, n est pas physiquement bien fondée. En l'absence d'altenative son utilisation est toutefois devenue une patique acceptée pou les écoulements dans les cylindes, avec la vitesse tangentielle considéée comme la ésultante des deux composantes paallèles à la paoi de la vitesse considéée. Vesteeg [4] suggèe que la loi logaithmique devait s applique en un point où 30 < y+ < 500 A y+ = 11,6 les deux coubes de la sous-couche laminaie et de la distibution des vitesses suivant la loi de paoi se coupent comme indiqué su la figue. [4] ci dessous. Figue.:Distibution de la vitesse moyenne pès des paois dans un écoulement tubulent. -13-

29 Si pendant le pocessus de calcul, la valeu y+ descend au-dessous de 11,6, alos la valeu appochée de la containte de cisaillement à la paoi est donnée pa: U τ νρ P w = (.17) yp Les expessions utilisées comme conditions aux limites pou l énegie cinétique k et le taux de dissipation ε, développées dans le chapite.4 ci dessous sont basées su les hypothèses d un équilibe local dans la zone y+. Dans ce cas la convection et la diffusion sont négligeables et on en déduit: k P = et ε U C τ 1 µ C k (.18) Uτ µ P = = (.19) κ yp κ yp L utilisation dans les modèles est discutée ci-dessous los de leu constuction au chapite 4.4. et le taitement des couches limites effectué ultéieuement est détaillé au chapite 4.6 pou teni compte d une localisation coecte de l application de la loi logaithmique..3.. Conditions aux limites d admission: Aux limites d admission toutes les conditions doivent ête définies. Dives pofils de vitesses unifomes ou otationnel sont considéés. Le gadient de pession est fixé dans chaque cellule. Les quantités de tubulence sont basées su des estimations de la taille des pots d admission et de la vitesse en temes de longueu et d échelle de vitesse, espectivement. Tous les paamètes sont détaillés diectement pou les modèles généés au chapite 5.3 et une étude paamétique de l'effet de difféentes conditions aux limites d'admission a été éalisée et est pésentée dans ce mémoie au chapite Conditions aux limites cycliques Contaiement aux autes types de conditions aux limites, les limites cycliques ne sont pas des fontièes physiques. La modélisation bénéficie de l oganisation axisymétique de l'écoulement pou éduie le besoin de puissance de calcul. Aux conditions limites cycliques toutes les popiétés se épètent autou de l axe de symétie tel que l'axe de la chambe de combustion, où tous les gadients sont supposés ête à zéo. Cette condition de flux épétitif est mise en œuve pa la définition de coefficients appopiés dans les temes souces des équations discétisées. -14-

30 .4. Modélisation de la tubulence: La pédiction des écoulements tubulents est de natue à la fois physique et mathématique. L'aspect mathématique, qui consiste à ésoude les équations de consevation discétisées est discuté dans le chapite 3. Le phénomène physique éside dans la constuction d'un modèle de tubulence pécis. Un apeçu des mécanismes de la tubulence est pésenté ci dessous, suivi d'une desciption de l'appoche de modélisation entepise pou les modèles Pincipe de la tubulence: Aux gands nombes de Reynolds la tubulence est un mouvement toubillonnaie compenant un lage éventail de tailles de toubillons. Ceux ci sont considéés comme un ensemble de lignes de votex en inteaction avec d'autes toubillons [5]. Les fluctuations de basse féquence associées aux gands toubillons sont pincipalement déteminées pa les conditions aux limites, tandis que les fluctuations à haute féquence, coespondant aux petits toubillons dépendent pincipalement des foces visqueuses. Comme les gands toubillons et l écoulement moyen sont d échelle similaie, une inteaction se poduit ente eux et l'énegie cinétique est tanspotée de l'écoulement moyen ves le mouvement tubulent. Les gands toubillons sont bisés pa l étiement des votex, tansféant ainsi l'énegie aux petites échelles. Ces inteactions épétées tansféant l'énegie à plus petites échelles amène à l extinction de l'énegie cinétique détuite pa la dissipation visqueuse. Ce pocessus est appelé cascade d'énegie. Il est supposé que les plus petits mouvements détuisent l'énegie aussi apidement qu'elle est eçue, les fluctuations de gande échelle déteminant donc la vitesse à laquelle l'énegie de l'écoulement moyen est tansféée dans le mouvement tubulent. Les mouvements tubulents sont fotement amotis à poximité des paois où les fottements visqueux sont dominants. Cela complique la modélisation pès des paois ca les effets moléculaies peuvent ête du même ode que les influences de la tubulence et nécessitent un taitement paticulie comme déjà indiqué au chapite.3. Etant donné que la ésolution des équations de consevation détaillées au début de ce chapite, contenant une lage échelle de féquences pou les fluctuations de l énegie, nécessiteait une ésolution de maillage tès petite, il devient nécessaie d intoduie un moyen pou simplifie la ésolution numéique. Le modèle de tubulence est intoduit et détaillé ci-apès..4.. Modèle de tubulence: L appoche choisie dans ce tavail à été d utilise un modèle statistique à deux équations nommé modèle de tubulence K - ε. Le contexte est exposé ci dessous ainsi que les pincipales popiétés du modèle Pincipe de la viscosité diffusion des toubillons: Le poblème de femetue décit pendant l intoduction des équations des écoulements moyens demandes d identifie un moyen d appoximation des coélations des quantités fluctuantes. Le pincipe de la viscosité des toubillons les associent aux gadients de vitesses moyennes. C est basé su une analogie ente les containtes de Reynolds et les containtes visqueuses. L expession pou détemine les containtes tubulentes et les flux peut ête écie sous fome tensoielle -15-

31 -16- ij i j j i t j i k x U x U u u δ ν 3 + = (.0) i t t i x u = φ σ ν ϕ (.1) où ν t est la viscosité tubulente, σ t est le nombe de Schmidt pou le flux massique, k est l énegie cinétique et δ ij est le delta de Konecke (δ ij =1 pou i=j et δ ij =0 pou i j). Pou un écoulement tidimensionnel les containtes de Reynolds individuelles peuvent ête écites sous la fome suivante en coodonnées cylindiques: Containtes de cisaillement: ) ( z U U u u z z z + = ν (.) ) 1 ( U U U u u θ θ θ θ θ ν + = (.3) ) 1 ( θ ν θ θ θ + = z z z U z U u u (.4) Containtes nomales: k U u 3 = ν (.5) k z U u z zz z 3 = ν (.6) k U U u 3 ) ( 1 + = θ ν θ θθ θ (.7) Les indices indiquent les composantes des containtes auxquelles les viscosités tubulentes sont associées. Pou des conditions isotopes, toutes les viscosités à double indice sont égales à la viscosité tubulente ν t. En supposant l isotopie et en substituant les équations de containtes (.) à (.7) dans les équations de quantités de mouvement moyens (.9) à (.11), l ensemble des équations fomant la base de la technique de modélisation CFD est poduit, et pésenté au chapite suivant. Pa appot à la viscosité cinématique ν, la viscosité tubulente n est pas une popiété du fluide mais change avec l état de la tubulence. ν t est définie comme un scalaie et est donc une quantité isotope. Ceci constitue une impotante limitation du pincipe de viscosité

32 toubillonnaie, ca dans les écoulements complexes tel que ceux encontés dans ce tavail les containtes de Reynolds individuelle vaient dans difféentes diections. Lie les containtes tubulentes et les flux aux gadients moyens via le pincipe de viscosité toubillonnaie évite de calcule diectement les coélations des fluctuations du poblème de femetue, en passant pa des moyens de pescie la viscosité tubulente ν t. Il s ensuit que la viscosité toubillonnaie est popotionnelle à une échelle de vitesse tubulente et une échelle de longueu de la tubulence. Ceci est détaillé dans la pochaine section pou le modèle de tubulence K - ε Modèle de tubulence à deux équations K - ε Les deux équations du modèle K - ε epésentent le tanspot de l échelle de vitesse et de l échelle de longueu de la tubulence. La vitesse est popotionnelle à l énegie cinétique tubulente k suivant: 1 k = u i u i (.8) D une manièe similaie une équation de tanspot peut ête fomulée pou la vaiable dépendant de l échelle de longueu L. Dans le modèle de tubulence K - ε la deuxième équation est: ε 3 = C 4 µ 3 k l (.9) Où ε est la dissipation de la tubulence. La aison de choisi ε est l hypothèse que le taux de dissipation de la tubulence est contôlé pa les fluctuations de gande échelle (voi section.4.1) tansféant de l énegie ves les petites échelles où elle est dissipée. l étant l échelle de longueu des gand toubillons de la tubulence, la dissipation devait alos popotionnelle à k et l dans l équation (.9). La modélisation de l équation de ε est basée su des considéations dimensionnelles et su une analogie avec l équation de l énegie k. Aussi, elle contient des appoximations pou des temes souce, de dissipation et de diffusion. Le teme souce est nécessaie pou assue q une augmentation de l énegie cinétique entaîne un taux de dissipation supéieu. Le teme de dissipation pemet la décoissance de l énegie cinétique, La diffusion est habituellement modélisée popotionnellement à un gadient. L équation de tanspot pou ε incluant ces tois temes, où le taux de vaiation est équilibé pa des temes de tanspot pa convection et diffusion et pa le pocessus de poduction et de destuction de la tubulence entaîne: -17-

33 ε 13 t taux de vaiation 1 + ( U ε ) + ( Uθ ε ) + ( U z ε ) = θ z 3 ν e ε 1 ν e ε ν e ε ε ( ) + ( ) + ( ) + C1Pk C σ ε θ σ ε θ z σ ε z 13 k diffusion convection Souce ε k (.30) où le taux de poduction P k est sous la fome: U z U 1 Uθ U U Pk = ( ) + ( ) + ( + ) + ( z θ Uθ 1 U z 1 U Uθ Uθ + ( + ) + ( + ) z θ θ z U + z ) avec ν e = ν+ ν t Une expession pou la viscosité est touvée en combinant l équation (.9) avec la elation de Kolmogoov Pandtl: ν = C t µ Ce qui donne: k l ν t = C µ k ε (.31) Où C µ, C1 et C sont des constantes qui sont déteminées pa compaaison avec les données expéimentales. Les détails des constantes sont exposés au chapite 4.4. ci dessous pou les modèles étudiés.5. Swil atio: Le taux de swil (SR) est pésenté ici ca il caactéise le contenu du cylinde de la chambe de combustion et la capacité caactéistique de l admission d influence le champ des écoulements los de la compession. Les détails concenant la généation de swil des modèles numéiques sont discutés aux chapites 4 et5. Il est défini comme la vitesse angulaie d'un écoulement de cops solide ω sb ayant une quantité de mouvement angulaie égal à l écoulement éel, divisée pa la vitesse de otation du moteu. SR = ω sb / πn -18-

34 Il est généalement calculé à IVC et pendant la couse de compession, losque la masse du contenu du cylinde este constante. C est un nombe sans dimension et une fonction de la position angulaie, c'est à die, SR = SR (θ) avec IVC < θ < TDC La valeu à IVC est une gandeu caactéistique qui epésente la capacité de swil de l'oifice d admission. Elle peut ête estimée à pati de données povenant de généateus de flux ou à pati de pofils de vitesses de swil obtenues à difféents niveaux à l'intéieu du cylinde du moteu. -19-

35 3. Méthodes numéiques pou les écoulements gazeux: Dans le chapite les équations gouvenant les écoulements considéés dans ce mémoie ont été pésentées. A cause de leu complexité, des méthodes itéatives doivent ête appliquées pou atteinde une solution. Le pincipe des méthodes de discétisation est exposé bièvement ci dessous, ainsi que la méthode itéative de ésolution utilisée dans le code CFD pou la ésolution des modèles. Aucune desciption détaillée des algoithmes numéiques ainsi que de la théoie mathématique n est développée dans ce chapite, cela allant au-delà de l objet du tavail effectué pou ce mémoie. De nombeux ouvages comme ceux de H.K. Vesteeg [4] et C.T. Shaw [5] taitent de ces méthodes de manièe appofondie Discétisation des équations de consevation: Les équations de consevation définies au chapite pécédent sont discétisées en divisant les écoulements en un nombe de volumes de contôle ou cellules. Chacune de ces cellules entoue un nœud de la gille du domaine de solution P, comme illusté su la figue 3.1. Le pincipe du pocessus de discétisation est de emplace les équations difféentielles pou la totalité du champ des écoulements pa des équations algébiques qui peuvent ête évaluées pa intégation dans chaque volume de contôle. Ceci équilibe effectivement les vaiables à chaque cellules. L équation de consevation pou une vaiable quelconque φ peut ête écite sous la fome suivante, basée su le système de coodonnées cylindiques utilisé dans ce tavail: 1 ( ρφ ) 1443 t taux de vaiation 1 + ( ρ U φ) + ( ρ Uθ φ) + ( ρ U z φ) = θ z 3 convection 1 φ 1 φ φ ( Γφ ) + ( Γφ ) + ( Γφ ) θ θ z z diffusion + S { φ Souce (3.1) Le teme φ dans l équation, peut ête une composante de la vitesse, l enthalpie, des quantité de tubulence, etc Méthode des volumes finis: La plupat des logiciels de CFD tel que celui utilisé pou la céation des modèles axisymétiques utilisent la méthode des volumes finis pou le calcul des écoulements gazeux. Dans cette méthode, chacune des équations de tanspot peut ête intégée dans un volume de contôle V écite ci-dessous, en utilisant une notation condensée: -0-

36 (3.) Les temes de flux convectif et de diffusion à taves chacune des faces epésentant le volume de contôle V (les faces sont souvent notées E (east), W (west) etc. comme indiqué su la figue 3.1 et sont à mi-chemin ente les nœuds de la gille. Ces flux peuvent ête estimés en utilisant les valeus des vaiables de la solution et des quantités du fluide mémoisées aux nœuds entouant chaque point P de la gille. Figue 3.1: Gille de ésolution dans le plan - θ pou la vaiable φ [6] La pocédue d intégation pa volumes finis est plus efficace pou mainteni le pincipe de consevation des équations de tanspot que d autes méthodes, et est plus flexible en teme de géométie. La discétisation des temes dans l équation (3.1) conduit à un ensemble d équations aux difféences algébiques, donnant la valeu de chaque vaiable φ à chaque point P de la gille, en fonction des valeus des vaiables aux nœuds voisins (N,S,E,W dans la figue 3.1, et de manièe similaie dans le plan -z pou les nœuds H (high) et L (low) dans la figue 3.). Figue 3.: Gille de ésolution dans le plan z. pou la vaiable φ [6] -1-

37 3.. Obtention d une solution pou les écoulements: De nombeux algoithmes existent pou obteni une solution à pati des équations discétisées. C est généalement ce qui distingue les codes CFD pou calcule les champs de vitesses et de pession. Cette section pésente une vue du schéma de ésolution PISO pésent dans le code CFD et utilisé pou la ésolution des modèles éalisés dans ce tavail. Obteni le champ des écoulements demande de touve une solution pou les tois équations de quantité de mouvement qui satisfont à l équation de continuité. Les quate équations couplées sont non linéaies, étant donné que les temes de convection sont euxmêmes fonctions de l accéléation du fluide, et les constantes sont fonctions de la ésolution évolutive de la vitesse. Habituellement, le couple pession/vitesse est utilisé pou les deux vaiables dépendantes pou calcule l écoulement. La pincipale difficulté pou obteni le champ des vitesses est le calcul de la pession. Les algoithmes utilisent difféentes appoches pou inclue l équation de continuité dans la ésolution de l écoulement. Pou les écoulements tansitoies pésents dans les chambes de combustion, un schéma entièement implicite est utilisé. Etant donné que les champs de pession et des vitesses sont couplés, une solution entièement implicite implique le couplage ente les deux nœuds (pou une vaiable donnée) et les vaiables ( eg la pession et la vitesse). Les schémas de ésolution entièement implicites n ont pas en théoie de estiction su l incément de temps δt, mais en patique sont limités pa le double couplage non linéaie. Les schémas peuvent ête divisés en deux catégoies: Itéatifs et non itéatifs. Ces temes sont tompeus, ca ils font éféence au schéma global pou le calcul du champ de pession / vitesse, et non aux méthodes pou calcule une vaiable paticulièe à l intéieu d un incément de temps. Donc les schémas non itéatifs touvent la solution diectement, bien que cela demande souvent l utilisation d itéations pou ésoude un ensemble paticulie d équations implicites. Le schéma non itéatif tel que l algoithme PISO utilise un unique niveau de pédiction, et un nombe de niveau de coection, et est pésenté ci-dessous L algoithme PISO: L algoithme PISO, pou Pessue Implicit with Splitting Opeatos est paticulièement adéquat pou les calculs tansitoies, pou lesquels il s est monté considéablement plus efficace que des méthodes itéatives [7] A la base il utilise une statégie de pédiction coection, endue possible pa l emploi d opéateu de division, pou découple tempoaiement les équations de l écoulement pou qu elles puissent ête ésolues de manièe séquentielle. Dans le pincipe, à la fin d un pemie niveau de coection, un champ de pession p** et un champ de vitesses u** ont été calculés. Généalement le champ de vitesses apès le pemie niveau de coection ne satisfait pas les équations de quantité de mouvement. L algoithme PISO calcule une valeu supplémentaie de vitesse u*** et du champ de pession p*** en fonction des valeus pécédentes. L algoithme exécute ainsi plusieus niveaux de coecteus le long des même lignes, jusqu à ce qu une solution avec un degé equis de convegence soit obtenu. --

38 L utilisation de l algoithme PISO et son paamétage pou la constuction des modèles est détaillé au chapite 4.4. ci dessous. -3-

39 4. Simulations CFD en cycle femé: La pemièe patie du pojet couve des calculs CFD pendant le cycle femé d'une chambe de combustion de moteu diesel HSDI dans des conditions moteu en cycle foid. Les caactéistiques paticulièes du moteu utilisé comme base pou les modèles numéiques, et ensuite, la desciption du pocessus de modélisation et la statégie étape pa étape adoptée pou acquéi une compéhension exhaustive du fonctionnement du code CFD sont données. Difféents modèles ont étés éalisés et des compaaisons sont étudiées en fonction de leu niveau de ésolution Moteus Diesel à injection diecte: Les moteus diesel HSDI compotent des dispositifs spécifiques pa appot aux moteus diesel à injection indiecte ou aux moteus à essence à allumage commandés. Pami ceux-ci le plus impotant consiste dans un piston compotant une cuvette pofonde, qui peut avoi difféentes fomes selon les caactéistiques de conception de la chambe de combustion. Etant donné que le volume défini pa le jeu ente le sommet du piston et la culasse du moteu diesel HSDI doit ête éduit au minimum pou un contôle optimum des émissions pou des niveaux de chage léges, la suface de la culasse en contact avec la chambe de combustion doit ête plate. Une telle conception tend à augmente le taux de compession et pa conséquent, la combustion a lieu dans le piston puisqu un jeu tès éduit peut ête éalisé de cette manièe. Pami les autes spécificités des moteus HSDI destinées à éduie les émissions en contôlant de manièe pemanente le pocessus de combustion sont des oifices d'admission pemettant de génée un mouvement de otation du gaz, dit swil (voi chapite.5), quate soupapes pa cylinde et une position centale et veticale des injecteus. De telles configuations sont elativement nouvelles pou les véhicules léges, et les développements de moteus ont besoin de techniques de simulation pou founi une compéhension complète des champs d'écoulement associés à de telles conceptions de chambes de combustion. La statégie de développement du modèle ZGF est basée su cette configuation. Pa conséquent une appoche de simulation axisymétique a été adoptée pou les modèles CFD, paticulièement bien adaptée pou la modélisation des moteus Diesel HSDI. Ainsi, l'objectif des modèles CFD est d'ête aussi poche que possible d une configuation éelle de moteu, en penant comme éféence les nouveaux moteus PUMA en cous de développement chez Fod Moto Le moteu PUMA: Le PUMA est un moteu diesel HSDI destiné à ête confome aux églementations d'émissions polluantes Euo V et contient donc la plupat des configuations actuelles pou vise de tels niveaux d exigence. Il coespond à une souce d'énegie appopiée pou les véhicules de touisme de faible puissance. Il inclut les denièes technologies Fod Moto et quelques pototypes avancés sont déjà en poduction. -4-

40 Les caactéistiques pincipales du moteu sont une cylindée de lites avec quate cylindes, équipés de tubocompesseu. Les pincipales infomations utiles pou intégation dans les modèles CFD sont appotées dans le tableau 4.1 ci-dessous. PARAMETRES MOTEUR Tableau 4.1: Caactéistiques du moteu PUMA. PUMA.0L DI TCI Puissance (ps) 115 Nombe de cylindes 4 Ø du cylinde (mm) 86 couse du piston (mm) 86 Rappot de compession 1.7/1 (estimé) Volume de balayage(lites) 0.5 (estimé) Ø cuvette du piston (mm) 40, Jeu ente piston et culasse (mm) 0,74 Longueu bielle (mm) 155 Nombe de soupapes 4 Ø soupape d'admission (mm) 4 Déplacement max soupape d'admission (mm) 8,7 Angle de siège, soupape d'admission ( o ) 119 o 30' Soupape d'admission - ayon de désaxage (mm) 6,19 Rappot de Swil,5 Ouvetue soupape d'admission ( o BTDC) Femetue soupape d'admission ( o ABDC) Début de l'injection ( o BTDC) Fin de l'injection ( o ATDC) 9 o Vitesse à pleine puissance (pm) o 37 o 9 o Comme la plupat des nouveaux moteus diesel HSDI, les chambes de combustion sont coaxiales sauf les soupapes et compennent quate soupapes et un injecteu cental et vetical pa cylinde. Cet aangement avec quate soupapes augmente la suface globale pou l admission, compaé à deux soupapes, founissant ainsi une puissance spécifique plus élevée. Avec l association d un injecteu cental, cette disposition est bien adaptée pou limite les émissions polluantes. Les caactéistiques des doubles soupapes d'admission sont de diamète intéieu de 6 mm avec un angle de siège de 30 et leu position su la culasse est epésentée su la figue 4.. Un évidement pou les soupapes est pévu dans la face de la culasse pou évite une inteféence avec le piston. A note que c'est une meilleue altenative que des évidements dans la couonne du piston, qui tendent à petube le mouvement de l ai dans ce type de chambe de combustion [1]. -5-

41 Figue 4.: Position des soupapes dans la face de la culasse Plan de la culasse du PUMA - Fod Le piston coespondant est donc axisymétique incluant une fome de cuvette. Il est epésenté su la figue 4.3 ci-dessous. Autou de la patie centale bombée, le mouvement de l ai doit ête minimal pou que le cabuant puisse ebondi dessus pendant l'injection, dispesant ainsi le spay en gouttelettes menant à la fomation d un film de cabuant su le cône pou obteni un meilleu contôle du pocessus de combustion []. Figue 4.3: Géométie du piston Plan Fod. Les oifices d'admission pennent une pat impotante dans le compotement du mouvement du gaz dans le cylinde. En association avec les soupapes d'admission et à leu pofil d'ouvetue, ils contibuent à poduie le niveau du débit de l écoulement entant dans la chambe de combustion. En paticulie le flux tavesant le pot d'admission est impotant, étant donné le ôle essentiel de la généation du mouvement de swil. Dans le moteu PUMA, une combinaison de pots hélicoïdal et diect est utilisée, semblable à celle pésentée su la figue 4.4 ci-dessous. -6-

42 Figue 4.4: Fome des pots d admission du moteu PUMA.[16]. Le pot hélicoïdal a une fome de ampe peu pononcée. Il est conçu pou amene l'écoulement dans le cylinde avec un mouvement angulaie initial et ainsi poduie la otation du gaz de type cops solide autou de l'axe de la chambe. Le pot diect déchage l'écoulement du gaz dans la chambe tangentiellement ves la paoi du cylinde où il est guidé dans un mouvement de toubillon. Ces deux pots sont employés pace qu'ils se compotent difféemment suivant la gamme de vitesse du moteu. Pincipalement, ils sont associés à la désactivation de pot d admission pou pemette un mouvement de swil élevé à chage intemédiaie, en utilisant le niveau plus élevé de swil poduit pa le pot hélicoïdal, et à une efficacité volumétique plus impotante aux vitesses et chages élevées pa le moyen du pot diect utilisant ses capacités de débit linéaie. L écoulement du gaz tavesant cet aangement d'oifices d'admission dans les conditions de la chambe de combustion du moteu PUMA donne un appot de swil de,5. Il est défini comme éféence pou les modèles CFD. 4.. L appoche axisymétique: Selon les hypothèses de modélisation du pogamme de simulation ZGF, une appoche de simplification a été adoptée en utilisant des modèles CFD axisymétiques. Un intéêt de suppose que l'écoulement du gaz dans la chambe de combustion est en gande patie axisymétique pendant la couse de compession est d économise de la mémoie et du temps de calcul pou le modèle. En effet le domaine volumique de la chambe de combustion doit ête subdivisé en plusieus couches de cellules pou obteni une pécision suffisante du modèle. Ainsi les calculs numéiques identiques se épèteaient dans chaque plan contenant l'axe de symétie. Ceci demandeait du temps de calcul de manièe pohibitive. -7-

43 Pa conséquent, en utilisant une seule couche axiale de cellules, associée à des conditions aux limites adéquates, pemet d économise du temps et de la mémoie de calcul. Abitaiement, 1/40ème du volume de la chambe de combustion a été généé pou cée le maillage du domaine de solution. Un angle de 9 degé a été estimé comme suffisant pou l'analyse numéique pou évite la distosion des cellules et obteni un appot d aspect acceptable. La statégie axisymétique amène à suppose que les dispositifs coaxiaux de la géométie des moteus diesel HSDI tels que le PUMA contibuent à poduie une distibution axisymétique du champ d'écoulement autou de l'axe de la chambe. C'est le cas pendant la majeue patie de la couse de compession comme le suggèent plusieus études expéimentales compilées pa Heywood [1] ou Acoumanis et Al [1]. Cependant, cetains écats à cette hypothèse ont étés encontés, comme la mise en évidence pa Acoumanis et Hadziapostolou [15 et 13], d'une légèe pécession du cente du swil autou de l'axe de la chambe pendant les couses d'admission et de compession avec des géométies paticulièes de chambe de combustion. Ces écats des pincipales hypothèses n'ont pas été pis en considéation à cause du compomis de simplification adopté pou le pogamme de simulation ZGF, où uniquement la distibution spatiale pincipale de l'écoulement du gaz est obtenue en utilisant une gille de quelques cellules. Pa conséquent, de tels petits détails ne peuvent pas non plus ête décits de manièe pécise avec des maillages tidimensionnels de ésolution semblable. Dans le moteu PUMA comme dans tout moteu diesel à injection diecte, la position des soupapes d'admission n'est pas coaxiale à l'axe de la chambe de combustion. Considée des conditions axisymétiques dans les modèles CFD ne eflétea pas le compotement éel des écoulements d'admission entant dans le moteu. De plus la fome des pots d admission sont tès complexes et difféents, et ne pouaient pas ête modélisées avec pécision étant donné l'appoche de simplification adoptée pou le pojet. Les oifices d'admission n'ont pas été inclus dans le domaine de solution des modèles CFD. Le pofil de distibution de l'écoulement a été défini en utilisant des conditions aux limites d'admission pou les modèles CFD et pa des conditions initiales appopiées au point mot bas (BDC) pou les modèles en cycle femé. Pa conséquent, pou les modèles CFD avec admission, la distibution des écoulements de gaz dans le cylinde pendant la simulation de la couse d admission n'a pas été analysée. Uniquement la distibution de l'écoulement de gaz ésultant à la fin de l admission à la femetue des soupapes (IVC) - a été pise en considéation en fonction des conditions limites d'admission. L'analyse a été éalisée pendant la couse de compession ves le point mot haut (TDC) pou évalue les effets de l'écoulement du débit d'admission su le mouvement du gaz empisonné dans la chambe Conditions moteu en cycle foid: L'objectif pincipal du pogamme de simulation ZGF est de calcule les vitesses axiales, adiales et tangentielles dans le cylinde, pou les écoulements de gaz tubulents. Les autes pocessus dans les chambes de combustion de moteus Diesel tels que la dynamique du spay de cabuant ou la combustion dans le cylinde ne sont pas inclus dans le code. Pa conséquent, les modèles CFD ont été établis avec le but de simule les conditions moteu en cycle foid. Dans ce type de simulation, ni l'injection de cabuant ni la combustion n'est impliquée. Les mouvements d'écoulements de gaz dans le cylinde sont étudiés pendant la couse de compession, c.-à-d. la patie foide du cycle, jusqu'au début de l'injection. -8-

44 Expéimentalement, de tels essais sont éalisés pou analyse les vitesses d'écoulement du gaz pace que les techniques de mesue, telles que les méthodes pa lase Dopple ou anémométie à fil chaud, ont des avantages pou mette en évidence les effets possibles du mouvement des gaz su la dynamique du spay de cabuant. Etudie la configuation des écoulements apès le début de l'injection et analyse son influence su le pocessus de combustion ne pouaient pas ête possible autement. En effet, le dégagement d'énegie dû à la combustion du cabuant modifie fotement le mouvement du gaz dans le cylinde et le pocessus pa lequel les caactéistiques de combustion - c.-à-d. l'impact du spay de cabuant su les paois, la fomation de gouttelettes, l'allumage et la popagation de la flamme - ont lieu ne seait pas compis coectement. Les expéiences ont lieu dans des moteus non soumis à la combustion, et ils sont actionnés pa des moteus électiques extenes au lieu d'injecte du cabuant Généation et pépaation des modèles en cycle femé: La pemièe patie du pojet a compis l'étude du mouvement des écoulements de gaz dans le cylinde pendant la couse de compession sans aucun flux d admission. C'était une pemièe étape pou compende le compotement des écoulements en utilisant des modèles axisymétiques et pou évalue si les pincipales hypothèses pises pou le code ZGF donnent des ésultats équivalents avec le compotement typique des écoulements d une chambe de combustion. Pa conséquent les données d'entée telles que la géométie du domaine d'écoulement, les popiétés du gaz, les conditions aux limites ou les paamètes de contôle de la solution ont dû ête physiquement éalistes et pésentés coectement pou l'analyse CFD pou assue le succès de la simulation. Ces ésultats ont founi des infomations pou la pemièe phase du développement du pogamme ZGF Statégie de modélisation: Le but de l'étude était de compae difféents modèles. Un pemie modèle axisymétique epésentant aussi exactement que possible la chambe de combustion du moteu Diesel PUMA a été développé, coespondant aux exigences de fidélité physique et de pécision numéique. L'analyse numéique a été ensuite appliquée à des géométies compotant des simplifications gaduelles. Ces caactéistiques voulant convege ves la géométie de discétisation de volume semblable au modèle ZGF epésenté su la figue 1.1. Des conditions aux limites spécifiques ont été appliquées pou epésente le système physique modélisé. Son domaine de solution est limité pa la culasse et les soupapes, le piston et la chemise de la chambe. De plus, des conditions aux limites cycliques ont défini les conditions d axisymétie, en limitant la taille du domaine où la distibution de l'écoulement du gaz se épète. Ce cas pincipal de discétisation du domaine de solution, décivant la géométie de chambe de combustion du moteu PUMA, a donc été employé comme modèle de éféence. La géométie a inclus un piston avec une fome de cuvette décite su la figue 4.3 de la section ci-dessus et une culasse de suface plate. A pati du modèle de éféence, tois autes ont été constuits: Deux diections difféentes ont été pises avec le même objectif qui est d'établi des modèles intemédiaies se diigeant ves la définition de la gille du modèle ZGF. Ces modèles intemédiaies doivent founi des infomations su les caactéistiques pincipales des simplifications ente le modèle de éféence et le modèle ZGF. -9-

45 La pemièe diection a été de simplifie la géométie du modèle de éféence ves une définition de gille othogonale utilisée pou le pogamme de simulation ZGF. Pa conséquent, en utilisant la même discétisation que le modèle de éféence, une cuvette cylindique dans le piston a été généée dans le modèle au lieu de la fome du piston du moteu Diesel PUMA. Le modèle a été éalisé pou évalue les effets d une vaiation de géométie, en utilisant une discétisation fine du maillage, et en maintenant un niveau de détail supéieu au modèle ZGF. Du modèle pécédent, un aute modèle a été décliné, en simplifiant la discétisation du domaine de solution ves une définition de 6x6 blocs cylindiques utilisée dans le modèle ZGF. Ce modèle, utilisant la méthode des volumes finis pou la discétisation des équations de Navie-Stokes, est une epésentation exacte du modèle fomulé pa le code de simulation ZGF. L'aute diection étudiée a été, comme pou le modèle pécédent, de simplifie la discétisation du domaine de solution du modèle de éféence en consevant la même géométie. Le quatième modèle a été constuit en utilisant la fome du moteu PUMA et une discétisation du domaine de solution semblable au modèle ZGF, c.-à-d. en subdivisant le domaine en appoximativement 7 cellules. Cette appoche n'utilise pas une définition de gille catésienne, mais considèe une céation cuviligne du maillage. Ce type de gille décit plus pécisément la chambe de combustion du moteu, mais est plus complexe à mette en œuve dans un pogamme de simulation. Ce devait ête la méthode à suive si l hypothèse de gille de blocs cylindiques est démontée ête non-valide. Le lien ente les deux denies modèles est fait pa la simplification de la desciption géométique du domaine de solution ca les deux modèles ont appoximativement le même nombe de cellules afin d obteni une pécision numéique et des temps de calcul semblables. Le diagamme epésenté su la figue 4.5 ci-dessous décit la statégie de modélisation entepise et les diections altenatives ves la simplification du modèle ZGF. Modèle Omega Maillage fin Réféence Discétisation du volume du domaine de solution Modèle Omega Maillage lage Appoche cuvilinéaie Desciption spatiale du domaine de solution Modèle Bloc Rectangulaie Maillage fin Appoche catésienne Modèle Bloc Rectangulaie Maillage lage Appoche du modèle ZGF Figue 4.5: Diagamme epésentation de la statégie de modélisation -30-

46 Le modèle de éféence est également appelé «modèle Omega - à maillage fin» dans la suite du mémoie. Le nom de son équivalent avec gille de maillage lage est «modèle Omega - maillage lage». Les deux autes modèles, ayant des géométies semblables s appellent«modèle bloc cylindique - à maillage fin» et «modèle bloc cylindique - maillage lage» espectivement. Ce denie étant le modèle CFD équivalent au modèle ZGF Desciption des modèles: Cette section détaille le pocessus entepis pou la constuction des quate modèles pendant l'étude de la simulation en cycle femé. Une vue des maillages poduits est montée su la figue 4.6 ci-apès. Figue 4.6: Maillage des difféents modèles STAR STAR Z Z Y X Y X Omega bowl - fine model (PUMA) mesh Mexican hat bowl - fine model (PUMA) mesh 4.6a: Omega modèle à maillage fin 4.6b: Bloc cylindique - à maillage fin STAR STAR PROSTAR JUN-99 VIEW ANGLE DISTANCE CENTER EHIDDEN PLOT Z Z Y X Omega bowl - coase model (PUMA) Y X mesh Mexican hat bowl - coase model (PUMA) mesh 4.6c: Omega modèle à maillage lage 4.6d: Bloc cylindique à maillage lage -31-

47 Omega Modèle à maillage fin: Défini comme modèle de éféence, tous les autes modèles ont été déivés de lui. Pa conséquent la plupat des caactéistiques décites pou ce modèle sont valides aussi pou les tois autes modèles. a) Généation du maillage: Le maillage a été généé en tois étapes en utilisant les possibilités de modélisation géométique du module de pétaitement Posta disponible dans le logiciel Sta-CD. A la fois la généation automatique de maillage pou le volume du cylinde et la patie supéieue du volume de la cuvette incluse dans le piston, et la généation de maillage non stuctué pou le este du domaine de solution ont étés appliquées. Le maillage non stuctué était appopié étant donné la complexité du volume inféieu de la cuvette du piston; il a pemis au maillage de s'adapte étoitement à la fome du domaine de solution. La généation automatique du maillage basée su l'appoche multi-bloc où le domaine d'écoulement est elativement simple à défini. Le maillage non stuctué a été généé en utilisant la technique d'extusion de suface de coque pédéfinie. La densité du maillage a été consevée autant que possible spatialement unifome, éduisant au minimum la distosion du maillage et donc la stabilité numéique, avec une discétisation volumique suffisante, déteminant l'exactitude de la solution. Toutes les cellules étaient hexahédales homis celles se touvant le long de l'axe de la chambe de combustion, qui sont des pismes tiangulaies afin de s'adapte à la condition d axisymétie. Abitaiement, le maillage dans le cylinde compote une gille de 43x80 et la cuvette a été subdivisée en 6 cellules. Le nombe total de cellules est donc de 3666 cellules. Cette densité de maillage a été considéée comme étant une disposition spatiale popotionnée pa son influence su la vitesse de convegence et le temps de taitement equis pou chaque itéation pa l unité centale, pou atteinde une solution. Une connectivité abitaie du maillage a été pise en compte ente le bloc de cellules non stuctué et son inteface avec les sufaces adjacentes à l'aute secteu de la cuvette du piston. Ce type de connectivité est nécessaie ente ces deux stuctues de maillage difféentes pou conseve la continuité du domaine de solution. La pogammation définissant le maillage est décite dans le fichie du maillage d une ésolution typique en annexe B. Tout le maillage a été généé en utilisant les systèmes de coodonnées global et local. Le système de coodonnées polaie global O, θz a été spécifié avec son oigine à l'intesection de l'axe de la chambe de combustion et de la face de la couonne du piston. L'axe définit le ayon du cylinde, l'axe θ la diection tangentielle et l'axe z, l'axe de la chambe de combustion avec sa diection ves la suface de la culasse. Le système de coodonnées cylindique local a été utilisé pou défini les sommets de la fome cuviligne de la cuvette du piston. Il est éféencé pa appot au système de coodonnées global. b) La géométie extene: Le pofil exact de la cuvette du piston du moteu Diesel PUMA epésenté su la figue 4.3 dans la section était impossible à epoduie. Un affinement du maillage auait été nécessaie pou détaille les cellules pès des limites, pou inclue les dives ayons de tansition existant dans le piston. Un tel affinement du maillage auait augmenté le temps de calcul et auait donné un maillage plus complexe à génée. De plus, de tels détails n'auaient pas pu ête définis avec le pogamme ZGF et les modèles CFD à lage maillage, étant donné l'appoche de simplification adoptée pou l'étude. Selon ce postulat, de tel petit détail n'influence pas la tendance généale du compotement des -3-

48 écoulements du gaz dans la chambe de combustion. Pa conséquent tous les congés dans la cuvette du piston et le lamage autou des soupapes dans la culasse ont été omis. Ceci a pemis au modèle à maillage fin d'ête généé plus facilement qu'il n auait été autement, et de concevoi une fome semblable pou le modèle Omega à maillage lage. La figue 4.7 epésente la géométie de la cuvette du piston utilisée pou le modèle CFD. Cependant, ces angles aigus pouaient augmente la tempéatue locale et le coefficient de tansfet de chaleu à la paoi pou les modèles à maillage fin. Comme le coefficient de tansfet de chaleu et la tempéatue sont des valeus moyennées dans le volume de contôle, l'influence d un changement de géométie sea plus impotante pou les modèles à maillage fins. Un effet possible seait l'augmentation de la vitesse des gaz entaînant un coefficient de tansfet de chaleu plus élevé pa la convection généée pa la fome de l aête. Ceci doit ête pis en compte los de l analyse des ésultats dans ces zones. 5.6 Ø 40 Ø R6. Figue 4.7: Géométie de la cuvette du piston pou le modèle CFD Omega Aute petite inexactitude pouvant se poduie à cause des faces des cellules aux limites se composant de facettes. Pa conséquent le ayon dans la cuvette du piston n'est pas éellement cuviligne. Une telle eeu est limitée pou une taille de cellule plus petite du modèle à maillage fin. Il convient de note que les axes x, y, et z montés su les tiages de post taitement tout le long du appot epésentent diectement les axes de coodonnées cylindique,θ,z espectivement. c) Caactéisation de l'écoulement et popiété des matéiaux: Des caactéistiques d'écoulement appopiées ont été implémentées dans le code pou défini la natue de l'écoulement pou les calculs. Les caactéistiques pincipales définissant l'écoulement du gaz dans la chambe de combustion du moteu sont qu'il est instable, fotement tubulent et compessible. Des modèles mathématiques appopiés et les algoithmes de ésolution numéique ont été choisis en conséquence. Les conditions physiques de l'écoulement sont essentiellement instables dû au mouvement du piston. Ce mouvement génèe une augmentation de la puissance des foces de volume, amenée pa exemple pa la otation solide de l'écoulement autou de l'axe de la chambe de combustion, connue sous le nom de swil, elativement aux containtes de viscosité ou de tubulence. Ainsi l'écoulement devient physiquement instable. Dans ces ciconstances, le mode de ésolution tansitoie a été spécifié. De hauts niveaux de tubulence -33-

49 sont nécessaies et obtenus dans les moteus Diesel HSDI pou faie coesponde les exigences du mélange ai - cabuant et la combustion. La compessibilité est éalisée en utilisant l'ai considéé comme gaz idéal avec à la fois dépendance pa appot à la tempéatue et à la pession, et satisfait donc à l'équation d'état pou un gaz idéal compessible. En aison de la dépendance de compessibilité, le calcul pécis de la distibution des tempéatues a été nécessaie. Le pincipe de la consevation de l'enthalpie statique a été choisi pou la fomulation de l'enthalpie themique. La viscosité cinématique, la chaleu spécifique et la conductivité themique pou l'ai ont été définies constantes et les valeus appopiées touvées dans la base de données ont été entées dans le système. La viscosité cinématique µ est consevée constante comme pemièe appoximation, ca elle est en éalité dépendante de la tempéatue. Une liste des données concenant l'ai se touve dans le tableau 4.8 ci-dessous. Données pou l'ai Nom moléculaie ai Masse moléculaie 8,96 Tempéatue de éféence ( o K) 93 Densité 1,05 Chaleu spécifique C p (J/(kgx o K)) 1006 Viscosité cinématique 1,81E-05 Conductivité themique k 0,0637 Tableau 4.8: Popiétés de l ai. Les popiétés pou les simulations sont écapitulées dans le tableau 5.9. Matéiau Calcul de tempéatue Option d'enthalpie Densité Modèle de tubulence ai statique themique ideal - f(t,p) K - ε Tableau 4.9: Popiétés des modèles. Le modèle de tubulence K-ε a nombe de Reynolds élevé a été utilisé dans les modèles CFD. Sa fomulation linéaie a été utilisée. Cette option de modélisation tubulente a été choisie pincipalement pou sa simplicité: Uniquement des conditions initiales et aux limites doivent ête founies au modèle, et il est bien établi comme le modèle de tubulence le plus lagement validé [4]. La tubulence a été modélisée en mettant l accent su une ésolution économique, à la fois en temes de temps de calcul et de besoin de stockage de données, afin d'obteni un modèle de simulation à bas coût los du calcul du niveau de tubulence avec les modèles CFD à maillage lage. Les conditions aux limites de non glissement pou l'écoulement tubulent pès des paois ont été appliquées en utilisant des -34-

50 fonctions de paois. C est une méthode économique pou epésente les couches limites tubulentes aux paois, c.-à-d. le long du cylinde, du piston et de la culasse. Le modèle de tubulence K-ε est utilisé en combinaison avec ces fonctions de paois. Leu application est discutée dans la section 4.6 ci-apès et les détails du modèle de tubulence de K-ε elatif aux écoulements de gaz dans les chambes de combustion des moteus Diesel, sont décits au chapite.4.. Le modèle de tubulence à nombe de Reynolds élevé a besoin de l'appot de paamètes et coefficients. Les coefficients sont empiiques et ont été touvés dans la littéatue elative aux écoulements tubulents typiques des chambes de combustion de moteus taitées pa l utilisation du modèle de tubulence K-ε [7], [18], [19] & []. Le tableau 5.10 ci-dessous donne un ésumé de la desciption du modèle de tubulence K-ε. Modèle de tubulence K-ε linéaie Fot nombe de Reynolds Longueu 0,016 Cmu 0,09 Ce1 1,44 Ce 1,9 Ce3 1,44 Ce4-0,33 (Kappa) 0,419 Sigma k 1 Sigma e 1,19 Pandtl (Enth.) 0,9 Tableau 4.10: Paamètes du modèle de tubulence K-ε d) Conditions initiales et aux limites: Au démaage des calculs numéiques, les conditions initiales et aux limites ont étées founies. Elles définissent les vaiables caactéistiques du champ d'écoulement dans le domaine de solution et ses limites. Dans les applications d'écoulement tansitoie, comme c'est le cas avec les champs d'écoulements dans les chambes de combustion des moteus Diesel, l'infomation founie a une signification physique diecte et influea su le cous de la solution. Avoi conscience de l'implication du choix des conditions initiales était impotante pou l'analyse. La caactéistique pincipale du champ des écoulements dans les chambes de combustion de moteus Diesel HSDI est le swil poduit pa les pots d'admission. Dans la pemièe phase du pojet, il a été supposé que le taux de swil de,5 du moteu PUMA était unifome le long de l'axe de la chambe de combustion. C'est une appoximation, étant donné que les écoulements d admission à taves les soupapes, qui poduisent le mouvement de swil du flux d'ai, n'ont pas été simulés. Ils génèent une distibution de l'écoulement, qui n'est pas unifome dans le cylinde. Il y a habituellement une statification du swil, l'écoulement pès de la culasse est compaativement désoganisé et éloigné d'une otation de cops solide [1]. -35-

51 Toutefois la distibution unifome du swil est considéée adéquate, ca uniquement les écoulements pincipaux sont à l'étude dans le modèle ZGF et les modèles CFD à maillage lage. Tout le estant des vaiables dépendantes de l'écoulement du gaz au démaage des calculs a été défini avec les valeus listées dans le tableau 4.11 ci-dessous. Ces valeus ont été assignées à tous les points du maillage. Les conditions initiales ont été définies au point mot bas (BDC) avant la couse de compession. Les valeus ont été choisies abitaiement et ne eflètent pas les paamètes du moteu PUMA pou des conditions identiques de fonctionnement. Bien que les ésultats quantitatifs pou ces modèles ne devaient pas ête pis en compte, ils sont un moyen adéquat pou la validation du modèle ZGF, pou des valeus identiques assignées comme conditions initiales dans les mêmes conditions de fonctionnement. u,v,w 0 Omega (pm) Pession (Pa) absolue 1E+06 Tubulence K-e Enegie de la tubulence k 0 epsilon 0 Tempéatue ( K) 93 Tableau 4.11: Paamètes des conditions initiales. Dans le tableau 4.11 ci-dessus, le paamète oméga epésente la vitesse de swil en t/mn. La convesion à pati du appot de swil est donnée au chapite.5. Une vue de la distibution initiale du swil à BDC pou le modèle Omega est montée su la figue 4.1 cidessous. À ce stade, aucune valeu de tubulence n'a été assignée au modèle. Ceci a founi l oppotunité d évalue la généation d'énegie de tubulence pendant la ésolution. Le champ des écoulements spécifié a été initialisé su la base des conditions aux limites actuelles assignées au modèle au début des calculs, y compis une condition de non glissement aux paois. La distibution des vitesses et de la pession ont été ajustées pa le code CFD. De plus, comme les écoulements dans les cylindes sont compessibles, la distibution initiale de la densité et de la tempéatue a été également ajustée basée su l'hypothèse de condition isentopique. -36-

52 STAR PROSTAR JUN-99 COMPONENT V M/S TIME = E-04 PSYS= LOCAL MX= LOCAL MN= Z Omega bowl - fine model (PUMA) Cank angle position = BDC initial swil atio.5 Y X Figue 4.1: Distibution des vitesses de swil initial. Les conditions aux limites ont été identifiées aux faces des cellules appopiées à la péiphéie du maillage. La topologie des limites a été diectement connectée au maillage de volumes finis et les caactéistiques de localisation des limites sont elativement bien connues. Deux difféents types ont été spécifiés : Des conditions aux limites de paois epésentant les sufaces solides, c.-à-d. la culasse, le bloc cylinde et le piston, et des conditions aux limites cycliques epésentant la condition d asymétie du modèle. La figue 4.13 ci-dessous défini la localisation des conditions aux limites. Condition axisymétique Condition limite de paoi Condition limite de paoi Condition limite cyclique Figue 4.13: Localisation des conditions aux limites. -37-

53 La condition aux limites de paoi est la condition pa défaut su la suface extene du maillage. Les paois limitent le domaine de solution. La spécification de leus caactéistiques nécessite de pende en considéation la natue des équations de tanspot à ésoude. Etant donné qu on considèe des écoulements visqueux, l option de non glissement a été choisie, pou des vitesses aux paois définies égales à zéo. L'écoulement des gaz dans les couches limites a été taité en utilisant des fonctions de paois logaithmiques et une valeu de 9,0 a été définie pou le coefficient empiique E. Le paamète de ugosité est déivé de coélations de paois lisses convenant pou les chambes de combustion des moteus Diesel [7] et []. Des investigations su le taitement des couches limites sont discutées en détail dans la section 4.6. ci-apès. Les hypothèses supplémentaies de paois adiabatiques, stationnaies et impeméables ont été définies. Les paois stationnaies sont des spécifications appopiées excepté pou le piston où un maillage mobile a été mis en place et est discuté dans la pochaine section. Dans une pemièe étape, des conditions aux limites themiques de paoi adiabatique et impeméable ont été définies pou compaaison avec les écoulements de gaz zonal. D'autes options pou affine le modèle seont à étudie ultéieuement. L'appoche axisymétique pou le modèle CFD a demandé l application d'une paie de conditions aux limites cycliques, de ce fait imposant une condition d'écoulement épétitive. Ce type de condition limite a été imposé pa le mouvement de swil dans la chambe de combustion. Ces conditions pemettent aux vitesses de swil d'ête calculées et équilibent l'écoulement de otation ente les fontièes du domaine, au lieu d'utilise le plan des conditions aux limites de symétie où ne seait imposé aucun écoulement à taves les plans de symétie. Une coespondance intégale ente les deux égions a été éalisée en utilisant la topologie égulièe de maillage dans la diection de θ et le système de coodonnées polaies global. Toutes les vaiables ont été mises en coespondance dans les paies cycliques ; c.-à-d. ni chute de pession ni débit massique fixe n'ont étés pescits. e) Mobilité du maillage: En fonction du mouvement du piston dans une chambe de combustion de moteu Diesel, le domaine de solution lié à la modélisation des écoulements doit inclue un type de conditions limites mobile. En effet, on doit pemette aux conditions aux paois epésentant la suface du piston de change de position et les faces des cellules associées doivent vaie en fonction du temps. La constuction du maillage a été éalisée en considéant cette impotante caactéistique de modélisation. En paticulie le maillage a été stuctué en couches successives paallèles au-dessus de la couonne du piston. Ceci a pemis de edistibue le maillage dans tout le cylinde de la chambe de combustion sans cée de distosion excessive à chaque itéation. Les commandes de Posta pou l application du maillage mobile au modèle à maillage fin Omega sont listées dans le fichie movegid_command en annexe C. Dans le pincipe, l'opéation de changement de gille est utilisée pou modifie les positions des nœuds du maillage en fonction du temps. Chaque changement est spécifié à chaque itéation successive. Des commandes Posta sont employées los de la ésolution et utilisent des paamètes tels que le denie numéo d'événement exécuté EVEX ou la position du piston YPST pou stocke des données concenant le modèle. f) Suppession de couches de cellules: Pendant la simulation de la couse de compession, les caactéistiques du moteu PUMA ont une couse de 86 millimètes et un jeu ente le piston et la culasse de 0,74-38-

54 millimètes à TDC. Comme le modèle à maillage fin Omega compote 80 couches de cellules dans le cylinde, à TDC il y auait eu 80 cellules dans 0,74 millimètes d'épaisseu. Le appot d aspect en ésultant pou chaque cellule auait été tès distodu et aucune solution n auait pu ête atteinte à cause de poblèmes d'instabilité numéique. Pa conséquent un aute dispositif a été nécessaie, en aison de la gande vaiation de la taille du domaine de solution, pou limite la densité des cellules. Dans le modèle, la capacité d'enleve des couches de cellules pendant la couse de compession et de les ajoute pendant la couse d'expansion a été mise en place dans le domaine de solution. En association avec le dispositif de maillage mobile, une couche de cellules est enlevée du domaine de solution en joignant les faces de deux cotés opposés, dans la diection de l'axe de la chambe de combustion. Une couche entièe est suppimée los d un évènement spécifique. La suppession de couches de cellules modifie la connectivité des cellules et l'opéation de maillage mobile spécifie la géométie du maillage. Les deux opéations ont été liées pa le module de commande d'événement. Le fichie d'événement en annexe B énumèe les commandes employées pou défini le déplacement des couches de cellules au moyen de boucles, pou la suppession de couches de cellules pendant la couse de compession et l ajout de cellules pendant la couse d'expansion. Chaque boucle spécifie 78 événements successifs de duée égale ente BDC et TDC pou suppime ou ajoute des couches coespondantes. g) Vitesse du moteu: Le mouvement du piston dans la chambe de combustion est lié à la vitesse de otation du vilebequin. Pou modélise cette cinématique, au début de chaque itéation, la position des conditions aux limites du maillage est définie comme ci apès: Etant donné le mécanisme bielle - manivelle epésenté su la figue 4.14 ci-dessous, la couse du piston peut ête définie pa : sin β = Zs Zs = Lcos β R cosα Lsin β = Rsinα R sinα L β R L en utilisant cos β = cos β = ( 1 sin β ) R 1 L sin α α Figue 4.14: Repésentation du mécanisme bielle manivelle. -39-

55 La couse du piston pa appot à BDC peut ête calculée en fonction du temps comme ci apès: Zs = L R 1 L sin α R cosα ( 4.1) L'équation (4.1) peut ête déivée une fois pou donne la vitesse instantanée du piston: Z & s = ϖ Rsinα 1 L R cosα sin α ( 4.) La position de la condition de paoi mobile dans le modèle epésentant la couonne du piston est spécifiée pa l'intemédiaie de la commande evpa listée dans le fichie des évènements en annexe B, en utilisant les paamètes globaux de l'équation de la couse associés à la vitesse de otation du vilebequin en t/mn. Les étapes des d'événements sont calculées en conséquence en spécifiant le temps pa appot au nombe de tou du vilebequin pa itéation. Pou le modèle, le nombe d itéations a été spécifié à 1080 pou tout le calcul et la vitesse du moteu à 4000 t/mn. Cette vitesse de moteu a été consevée pendant tout le pojet pou faie des compaaisons su une même base. Elle a été choisie, étant donné qu'un des objectifs finaux de l'intégation du pogamme de simulation ZGF est de founi des coefficients de tansfet de chaleu coté gaz aux modèles pou l analyse des containtes themiques pa éléments finis. Habituellement, ces conditions aux limites themiques sont appliquées pou des conditions de puissance maximum du moteu. Cette vitesse poche de la vitesse maximale de 400 t/mn est également intéessante pou des compaaisons avec des données expéimentales qui sont généalement éalisées autou de cette gamme de vitesse du moteu. h) Contôle de la ésolution numéique: Un contôle appopiée du pocessus de ésolution numéique appliqué aux équations d'écoulement a été mis en place dans le modèle CFD pou assue un endement numéique acceptable. Comme spécifié plus tôt, la natue instable de l'écoulement amène à utilise une pocédue de calcul tansitoie. Ainsi, à pati des conditions initiales et aux limites définies à BDC, 360 degés ont été simulés, epésentant la compession suivie de la couse d'expansion. Le schéma de difféenciation du pemie ode entièement implicite a été choisi pou la discétisation des équations, ca il s est avéé donne une solution suffisamment pécise en utilisant moins de mémoie et de plus lages pas d itéation. La solution utilise l'algoithme PISO pou la ésolution de la pession et soit un schéma de difféenciation supéieu (Upwind Diffeencing UD) pou les équations de tanspot ou un schéma de difféenciation cental (Cental Diffeencing - CD) pou la densité. Ceux-ci amènent à un nouvel état en une succession d itéations discètes. La duée de l incément de temps δtc a été déteminée pou des considéations de pécision à un ties de évolution du moteu; c'est-à-die 1080 itéations -40-

56 ont été définies pou les 360 degés de la simulation. Ces itéations ont étés définies pou ête du même ode de gandeu que le plus petit temps caactéistique δtc pou la convection et la diffusion, c.-à-d. δl ρδl δtc = min, U Γ Où U & Γ sont une vitesse et une diffusivité caactéistiques, δl est une dimension moyenne du maillage. Ensuite le contôle de la solution numéique a été éalisé en suveillant le nombe couant maximum pou chaque itéation, c.-à-d.: δt Nombe couant = δtc En maintenant le nombe couant maximum égal à 1 signifie qu'à chaque itéation, l'infomation a été convetie à taves une cellule ayant la dimension de δl. L'itéation a été définie à 0,139*10-4 seconde. C'est un compomis afin de ne pas augmente considéablement la duée du calcul. Une telle valeu évite cependant, l'instabilité numéique et donne une pécision tempoelle aisonnable. En paallèle, la valeu du facteu de coection a été augmentée de la valeu pa défaut jusqu'à 100 et la coection de pession sous elaxation a été établie à 0,8 pou pende en considéation la configuation de maillage mobile ainsi que les effets de compessibilité pendant la ésolution. Le tableau 4.15 ci-dessous écapitule les paamètes utilisés pou les calculs. Les autes églages incluent les calculs en double pécision pou éduie les effets des eeus d aondis de calcul, et dives paamètes de contôle de sotie et de solution pou la modélisation tansitoie. Toutes les commandes appopiées sont décites dans le fichie des évènements de la solution typique exécutée en annexe B. Paamète vaiable vitesse pession tubulence enthalpie Toléance du solveu 0,01 0,001 0,01 0,01 sweep limit Limite du facteu de coection = 100 Facteu de elaxation du coecteu de pession = 0.8 Toleance du niveau de coection= 0.5 Tableau 4.15: Paamètes de contôle pou les calculs tansitoies PISO. -41-

57 Modèle Bloc cylindique Maillage fin: La seule difféence ente ce modèle et le modèle Omega - à maillage fin a consisté en une géométie difféente pou la cuvette du piston. Ce modèle a une fome cylindique simple utilisant les possibilités de maillage multi bloc automatiques. Une vue du maillage est montée dans la figue 4.6b ci-dessus. Le point impotant à été de conseve le même volume pou la cuvette du piston que le modèle Omega - à maillage fin pou obteni une masse de gaz empisonnée identique à IVC, ceci étant le paamète essentiel pou la compaaison ente les difféents modèles en cycle femé, et ultéieuement pou la compaaison avec les modèles CFD avec écoulements d admission. La géométie a consevé le même diamète de cuvette, soit 40 mm et la pofondeu ésultante de la cuvette est de 15,78 mm. Un diamète de cuvette identique au niveau de la lève du piston doit ête spécifié afin de ne pas influence le compotement du mouvement de chasse centipète dit «squish» de l'écoulement du gaz pendant la couse de compession jusqu'à TDC. Comme la géométie du maillage est plus simple, aucune connectivité abitaie du maillage n'a été nécessaie ente la cuvette et le cylinde. Le cuvette du piston a été divisée en utilisant une gille de 0x11, obtenant 3660 volumes de contôle pou le modèle complet. Le estant des caactéistiques du modèle a été consevé comme celles du modèle Omega - maillage fin, ayant pou ésultat que la seule vaiation ente les deux modèles à été focalisé su le changement de géométie Modèle Omega Maillage lage: Comme appoche de simplification supplémentaie du modèle Omega à maillage fin, ces caactéistiques ont été adaptées à une ésolution de gille plus faible du domaine de solution. La généation du maillage a adopté la même appoche que le modèle de éféence mais en utilisant une gille lage. Le domaine de solution a été divisé en 6x3 cellules pou le cylinde et en 8 cellules pou la cuvette du piston suivant les indications de la figue 4.6c cidessus. Le nombe total pou le modèle est de 8 cellules. Cet aangement de maillage est considéé comme étant la discétisation minimum du domaine de solution pou une distibution suffisamment détaillée du champ des écoulements. Comme la géométie extene du maillage est identique au modèle Omega à maillage fin, aucune difféence de volume n en ésulte homis une petite difféence due à la fome non-cuviligne du ayon pincipal de la cuvette du piston. Cette difféence a été considéée négligeable. Un mouvement du maillage semblable a été mis en place dans le modèle, utilisant le même pocessus, mais aucune suppession de couche de cellules n'a été spécifiée. Comme la hauteu du cylinde contient seulement tois cellules, le appot d aspect ésultant a été considéé acceptable en contôlant le nombe d'itéations et les paamètes de contôle de la solution numéique spécifiés pou atteinde une solution coecte pou le modèle. Seulement 360 itéations ont été spécifiées, c'est-à-die une itéation pa degé d'angle de vilebequin. Les autes paamètes de contôle de la solution numéique estant les mêmes que le modèle de éféence. Ceci donne tois cellules à SOI dans le cylinde, ce qui founit une ésolution du maillage adéquate pou l évaluation du compotement des écoulements de gaz su un modèle défini avec une gille lage. De cette façon, il coespond au modèle ZGF, qui ne contient aucune méthode de suppession de couche de cellules. Pa conséquent, le dispositif de mouvement du maillage a utilisé un événement unique pou initialise la condition aux limites mobile epésentant le piston, avant la compession. -4-

58 Modèle Bloc cylindique Maillage lage: Le denie modèle a associé la géométie Bloc cylindique à maillage fin avec la configuation de ésolution numéique du modèle Omega maillage lage. Le domaine de solution a été divisé en 18 cellules dans le cylinde et 9 cellules dans la cuvette du piston, donnant un modèle de 7 cellules. La figue 4.6d ci-dessus monte une vue du maillage. Dans ce modèle le plus simple, la gille numéique n'est pas unifome pou coesponde à la géométie de la chambe de combustion et pou pemette d avoi une gille elativement plus fine dans la cuvette du piston au début des calculs. Une telle discétisation de volume de la cuvette pemet de founi une ésolution spatiale au modèle, là où ont lieu les pocessus de spay et de combustion. Envion 50 modèles ont étés constuits pendant l'étude, pou obteni une compéhension complète de la façon dont le code CFD Sta-CD fonctionne. Les paamètes des modèles ont été étudiés indépendamment pou connaite leu influence su l'obtention d'une solution. Pami ceux-ci: L'intégation de la vitesse du moteu dans l itéation couante. Manipulation de la géométie non-cylindique de la cuvette pou constuie le maillage. L'association de la suppession de couche de cellules et du jeu minimum ente la couonne du piston et la culasse. La connectivité de blocs de cellules pou évalue la sensibilité de coespondance abitaie de cellules, paticulièement avec les gilles à maillage lage. La Sensibilité du atio d aspect des cellules et de distosion du maillage acceptable pou atteinde une solution convenable. L ajustement des paamètes de contôle de la ésolution numéique. Les quate modèles décits ont été constuits en ecueillant ces évaluations des simulations. Le tableau 4.16 ci-dessous founit un ésumé des caactéistiques des quate modèles. -43-

59 PARAMETRES MODELES A CYCLE FERME Maillage fin Maillage lage atio du modèle: 1/40 de la chambe Omega Bloc ectangulaie Omega Bloc ectangulaie Ø cylinde (mm) Couse piston (mm) Rappot de compession 1.7/1 1.7/1 1.7/1 1.7/1 Volume total (lites) 0, , , ,01304 Ø cuvette du piston (mm) Pofondeu cuvette du piston (mm) 15,78 15,78 Jeu ente piston et culasse (mm) 0,74 0,74 0,74 0,74 Longueu bielle (mm) Rappot de swil,5,5,5,5 Vitesse moteu pou validation (pm) Nombe de cellules Tableau 4.16 : Paamètes des modèles en cycle femé Analyse de la distibution des écoulements dans le cylinde: Les solutions numéiques pou les modèles CFD à maillage fins et lage ont été obtenues en exécutant le module Sta dans le code Sta-CD. L'algoithme de ésolution a calculé une solution à chaque itéation. La suveillance coecte de la pogession du calcul a été éalisée et le succès du calcul a été véifié à pati des valeus de sotie des vaiables du champ des écoulements. Les ésultats des calculs effectués sont analysés ci-apès. Difféentes positions d angle de vilebequin ont été étudiées pou compaaison ente les modèles Vaiations de la pession: Dans le cade du pogamme de simulation ZGF, une des pincipales simplifications est l'hypothèse que la pession est spatialement unifome dans le cylinde. Uniquement les équations de quantité de mouvement des équations de Navie-Stokes sont ésolues. Pa conséquent la pession n'est pas une vaiable de sotie avec le modèle ZGF. Dans une à injection diecte, la face du piston dans le cylinde a une vitesse unifome pendant la couse de compession. Il est admis que la vaiation spatiale de la pession à chaque angle de vilebequin soit uniquement le ésultat de l'écoulement élevé de squish quand le piston atteint les positions angulaies pès de TDC. La pession supéieue poduite pa le gadient de vitesse du squish est considéé comme étant d'ode de gandeu inféieu à la pession du gaz poduite pa l'effet de compessibilité du mouvement du piston. Ainsi la pession dans le cylinde est considéée ête quasi-unifome avec cette configuation spécifique de moteu, et aucune difféence spatiale pa appot au temps n est pise en considéation. -44-

60 Les vaiations de pession spatiales dans le cylinde ont été évaluées et compaées à la pession moyennée à SOI. Les ésultats sont affichés su la figue 4.17 et la figue 4.18 pou les modèles Omega à maillage fin et lage espectivement. Une difféence de pession maximum est obsevée due à la basse ésolution du modèle à maillage lage mais leus vaiations de pession spatiale maximum sont semblables. Pou le modèle à maillage fin les calculs donnent : Pession maximum dans le cylinde = 5.869*10 6 Pa Amplitude de la pession = *Pa Le appot de vaiation spatial de pession est de 1,9%. Ceci valide l'hypothèse d unifomité spatiale de pession dans le cylinde du modèle ZGF puisque le appot de pession n'est pas significatif et est touvé inféieu à la difféence ente simulations avec maillages fin et lage. En complément, la figue 4.19 monte les calculs d'élévation de pession dans tois cellules du domaine de solution pou le modèle à maillage fin Omega pendant la couse totale de compession. Aucune difféence significative n'est obsevée. STAR PROSTAR MAY-99 PRESSURE ABSOLUTE PA TIME = E-0 LOCAL MX= E+07 LOCAL MN= E E E E+07 Z Omega bowl - fine model (PUMA) Cank angle position = 10 BTDC (SOI) swil atio.5 Y X Figue 4.17: Pession absolue pou le modèle Omega Maillage fin. -45-

61 STAR PROSTAR JUN-99 PRESSURE ABSOLUTE PA TIME = E-0 PSYS= LOCAL MX= E+07 LOCAL MN= E E E E+07 Z Omega bowl - coase model (PUMA) Cank angle position = 10 BTDC (SOI) swil atio.5 Y X Figue 4.18: Pession absolue pou le modèle Omega Maillage lage. Computed isentopic pessue ise A b s o l u t e p e s s u e P a E E E E E+07 centeline above the bowl (n 15) cente of the squish cleaance (n 3388) cente of the bowl (n 3780) 0.000E E E Cank angle position (3 time steps x degee) Figue 4.19: Calcul de l élévation de pession isentopique. -46-

62 Les vitesses des champs des écoulements ont été analysées en utilisant une distibution axiale-adiale et une distibution tangentielle sépaément. Tous les commentaies suivants se appotent aux tiages de post taitement dans les sections 1 à 4 de l'annexe D pou les modèles Omega et Bloc cylindique à maillage fin, et les modèles à maillage lage, Omega et Bloc cylindique espectivement Simulations des champs des écoulements avec maillage fin ente BDC et SOI: La figue 1.a et la figue.a montent la géométie et la gille de ésolution à BDC pou les modèles à maillage fin Omega et Bloc cylindique espectivement. La pemièe position a été définie à 150 BTDC pou évalue la distibution des écoulements de gaz de dans le cylinde à IVC. Ceci pemetta d entepende des compaaisons ultéieues avec des modèles CFD incluant des écoulements d admission. Les champs de vitesses calculés dans le plan axial-adial sont donnés pou infomation dans la figue 1.b et la figue b. Les vitesses axiales du gaz le long de la cuvette du piston sont de même échelle que la vitesse du piston calculée à pati de l'équation (4.), qui est de 6,8 m/s à cette position angulaie. Le tait hoizontal au-dessus de la cuvette epésente la position des couches de cellules désactivées dans les modèles. La figue 1.c et la figue c montent que les deux modèles envoient une distibution adiale du swil tès semblables à cette position du piston. Les vaiations axiales sont, comme attendu, mineues. La figue 1.d et la figue.d founissent les détails de l'écoulement calculé à un stade ultéieu de la couse de compession, à 80 BTDC. Elles montent que la stuctue de l'écoulement pès de la cuvette n'est pas affectée considéablement pa la fome de cette denièe, bien que les niveaux de vitesses soient d envion 15% plus élevés su la patie supéieue de la paoi de la cuvette pou la géométie Bloc cylindique. La figue 1.e et la figue.e montent les calculs des distibutions des vitesses tangentielles à 80 BTDC. Ces distibutions adiales sont semblables, et l'influence de l'écoulement pès de la lève de la cuvette, dans sa patie supéieue pou le modèle Omega (figue 1.e) est bien epésentée pa la géométie simplifiée (figue.e). De même, la vaiation adiale de la vitesse tangentielle dans la patie inféieue de la cuvette n'est pas sensible à sa fome pou cette position du piston. Les figues 1.f et.f montent les compaaisons ente les champs d'écoulements calculés à 10 BTDC coespondant appoximativement au début de l'injection. Apès cette position angulaie, les effets de la modélisation de la géométie commencent à entaine des conséquences su des pocessus ultéieus du mélange du spay et de la combustion. Pa conséquent le compotement des écoulements de gaz dans le cylinde à cette position paticulièe sea intéessant comme base pou compaaison tout le long de l'étude. Toutes les zones ayant une influence su les phénomènes mentionnés ci-dessus sont analysées. A cette position angulaie le pocessus de désactivation de couche de cellules conseve 6 cellules dans l espace ente piston et culasse. Le jeu est de 1,57 mm de haut et le maillage du domaine de solution est considéé avoi une densité appopiée pou les considéations de pécision, losque on pend en compte les effets de couches limites de la culasse et de la couonne du piston, su la stuctue de la gille. La figue 1.f monte l'écoulement de eciculation pou le modèle Omega, et la figue.f monte comment ceci est epésenté dans la géométie Bloc cylindique. Le cente de la eciculation dans la cuvette pa appot à la lève de celle-ci est tès semblable dans les deux figues. Les vitesses sont aussi semblables pou les deux modèles. Les distibutions sont conduites pa des vitesses de squish élevées pès de la lève et également des vitesses centipètes elativement élevées dans la cuvette le long de la suface -47-

63 éhaussée. Les figues mettent en évidence l'impotance de positions identiques pou la lève de la cuvette du modèle Bloc cylindique pa appot au modèle Omega pou la epésentation du phénomène de squish. Un phénomène impotant du compotement des écoulements du gaz dans le plan axialadial est que la eciculation dans le sens des aiguilles d'une monte illustée su la figue 1.f et la figue.f soit bien epésentée. Il est identique à celui décit pa Acoumanis, Whitelaw et Bicen [1] et [17] pou un écoulement avec swil à IVC dans un moteu pototype à vitesse lente et faible taux de compession pendant la compession. Il y aua un échange de quantité de mouvement significatif ente l'écoulement du gaz de eciculation et le spay de cabuant, entaînant une déflexion du spay dans cette zone. Des calculs additionnels pou les deux géométies effectués sans mouvement de swil à IVC, monte que la eciculation est en sens invese - dans le sens contaie des aiguilles d'une monte - pès de SOI, encoe en cohéence avec les desciptions données dans la littéatue. Elle est epésentée su la figue 4.0 cidessous ainsi que la distibution de swil coespondante su la figue 4.1. La similitude des votex de l'écoulement dans la figue 1.f et la figue.f peut indique que la pofondeu de la lève de la cuvette dans la géométie du modèle Omega est un paamète influent pou cet aspect des champs des écoulements. Le seul aspect non epésenté su la figue.f est le petit votex axial se touvant le long de l'axe de la chambe de combustion. Il est escompté que la distibution de vitesses éduites dans cette zone paticulièe n'ait pas une gande influence su l'échange de quantité de mouvement ente l'écoulement du gaz et le spay de cabuant. STAR PROSTAR JUN-99 VEL. COMP U W M/S TIME = E-0 PSYS= LOCAL MX= LOCAL MN= 0.366E E-01 Z Omega bowl - fine model (PUMA) Cank angle position = 10 BTDC (SOI) no swil Y X Figue 4.0: Vitesses axiales-adiales à SOI sans swil initial. -48-

64 STAR PROSTAR JUN-99 COMPONENT V M/S TIME = E-0 PSYS= LOCAL MX= LOCAL MN= E E E E E E E E E Z Omega bowl - fine model (PUMA) Cank angle position = 10 BTDC (SOI) no swil Y X Figue 4.1: Vitesses de swil sans swil initial. Les figues 1.g et.g montent les distibutions de la vitesse tangentielle dans le cylinde à 10 BTDC, coespondant aux champs des écoulements décits ci-dessus. Bien que les niveaux de swil epésentés su la figue.g soient légèement plus élevés pès du fond de la cuvette de ce modèle, pobablement dû à la fome ectiligne de la lève de la cuvette du modèle Bloc cylindique, la distibution du swil pès de la lève epésente de manièe adéquate celui obtenu avec le modèle Omega dans la figue 1.g. Les valeus maximales de swil sont d envion 5% supéieues pou le modèle Bloc cylindique dans la plus gande patie de la zone autou de la lève Géométie Compaaisons des ésolutions des maillages: Les calculs décits ci-dessus ont été épétés pou les modèles à maillage lage et des compaaisons des effets des faibles ésolutions, telles que celles étant pobablement disponible avec le pogamme ZGF incopoé dans un code de simulation de pefomances de moteu, ont été étudiées à pati des simulations des stuctues des écoulements. Le modèle Omega avec géométie à faible ésolution est illustée dans la figue 3.a et le champ d'écoulement calculé à 10 BTDC est monté dans la figue 3.d pou les vitesses dans le plan axial-adial et la figue 3.e pou les contous de swil. Il convient de note que davantage de niveaux que nécessaie sont indiqués, étant donné la ésolution du maillage. Des échelles de couleus identiques su les tiages pemettent de faie plus facilement des compaaisons diectes avec les modèles à maillage fin. Le champ des vitesses epésentées su la figue 3.d epoduit les caactéistiques pincipales epésentées su la figue 1.f pou la gille plus fine, bien que les vitesses de squish pès de la lève de la cuvette soient éduites jusqu'à 0%. Ceci -49-

65 est susceptible d'ête en gande patie la conséquence de l'influence des conditions aux limites de la fonction de paoi utilisées pou les cellules adjacentes aux paois. Les deux plus petits votex dans la cuvette du piston ne sont pas epoduits dans la figue 3.d comme pévisible, étant donné la faible ésolution de la gille. En conséquence la diection de la vitesse le long de la paoi de la lève de la cuvette va dans le sens opposé et sa gandeu epésente la patie intéieue de la eciculation. La figue 3.e met en évidence le «smeaing» de la distibution de swil le long des paois dû à la gille lage en compaaison avec la epésentation de la figue 1.g; ceci étant pévisible avec cette ésolution sans intevention de modélisation. Une investigation ultéieue de la ésolution du maillage poche des paois est discutée dans la section 4.6 ci-dessous. Les phénomènes pincipaux de la figue 1.g sont cependant obsevés dans la figue 3.e, et ceci est discuté plus amplement ci-dessous. Les détails des conséquences su les distibutions de swil calculées dues à la ésolution éduite du maillage ont été évaluées en taçant les vitesses tangentielles (de swil) en fonction du ayon dans la couche de cellules au sommet de la cuvette. L'axe de la chambe étant à =0. Les effets de gille lage ont été étudiés pou les deux géométies Omega et Bloc cylindique. Pou plus de simplicité, uniquement les ésultats du modèle avec la fome de cuvette Omega sont discutés en détail cidessous, et des conclusions généales sont données concenant les effets de la fome de la cuvette. La figue 1.o et la figue 3.l montent les distibutions de swil calculées pou les modèles à maillages fin et lage espectivement, aux positions instantanées du piston décites pécédemment ci-dessus. Il y a tois cellules numéiques à taves la cuvette dans le modèle Omega - à maillage lage. Ce sont les cellules bleues epésentées su la figue 3.a. Il y a peu de difféences significatives dans les ésultats du calcul à 150 ou à 80 BTDC. Seulement une cetaine suppession du swil pès de la paoi de la cuvette dans le modèle à faible ésolution. A 10 BTDC, le smeaing de la distibution du swil décite ci-dessus est plus claiement visible. Dans la figue 3.l, le ésultat monte une petite difféence de vitesse angulaie dans la patie intéieue ( < 10 mm) et extene (10 < < 0 mm) de la cuvette, dû au mouvement de squish pès de la lève. Ceci coespond à la tendance vue dans les ésultats à maillage fin dans la figue 1.o, bien que le smeaing et une faible ésolution à la paoi ont comme conséquence une valeu moyenne de vitesse angulaie ente les zones intenes et extenes de la cuvette, de seulement 70% de celle des calculs avec maillage fin. Des ésultats coespondants pou les modèles Bloc cylindique à maillage fin et lage sont affichés en complément dans la figue.o et la figue 4.l. Les mêmes obsevations généales que celles données ci-dessus pou les modèles Omega s'appliquent ici, toutefois des difféences ente les ésultats à maillages fin et lage sont exagéées aux positions angulaies au delà de 80 BTDC. A 10 BTDC, les vitesses tangentielles maximales sont semblables pou les deux modèles, et ceci suggèe qu'il y a moins de sensibilité à basse ésolution compaé au modèle Omega. La vitesse angulaie moyenne ente les zones intenes et extenes au sommet de la cuvette est encoe inféieue pou le modèle à maillage lage, en aison d'un swil plus élevé pès de la ligne centale, et est ici d envion 65% de celui du ésultat avec maillage fin Distibution des vitesses calculée apès SOI: Comme discuté dans l'intoduction, apès le début de l'injection, le spay de cabuant est dévié pa le flux d'ai, ésultant de l'échange significatif de quantité de mouvement ente eux, et poduisant le alentissement de l'écoulement du gaz. Ceci a une gande influence su le contôle subséquent du mélange ai-cabuant, de l'ignition du cabuant et de la combustion. Ainsi, les évaluations des vitesses des écoulements de gaz calculées apès SOI sont intéessantes, pou founi les infomations utiles pou l'analyse de la combustion. -50-

66 Deux ensembles d'infomations sont discutés ci-dessous. Le pemie analyse les champs des écoulements de gaz dans le cylinde à TDC, quand les implications de la compessibilité sont à leu maximum. Le deuxième ensemble egade la position angulaie à 0 ATDC, pou mette en évidence les effets possibles su le pocessus d'expansion. a) Résultats à TDC avec maillage fin: Les figues 1.h et.h montent les champs de vitesses calculés avec un maillage fin pou les modèles Omega et Bloc cylindique espectivement. Les stuctues d'écoulement ves la paoi de la cuvette sont semblables pou les deux modèles. Tous les autes phénomènes de la distibution de l'écoulement du gaz sont encoe pésents à TDC. Cependant les vitesses de votex sont de plus de 30% supéieues dans la zone le long de la suface ehaussée, pès de l'axe de symétie pou le modèle Omega, pa compaaison avec les ésultats du Bloc cylindique. La difféence est plus impotante que celles vues autou de SOI, décite pécédemment. Ceci peut avoi une conséquence significative su la déviation du spay de cabuant le long de la ehausse de la cuvette et su l'impact du spay su la paoi. Ceci doit ête pis en considéation los de l analyse des coefficients de tansfet de chaleu pa convection dans cette zone. Le deuxième votex dans le sens contaie des aiguilles d'une monte pès de l'axe de la chambe de combustion epésenté su la figue 1.h devient plus impotant pa appot au ésultat obtenu à la position angulaie SOI. La même stuctue de l'écoulement est obsevée dans cette égion pou la géométie simplifiée dans la figue.h, mais elle est plus puissante le long de l'axe de la chambe de combustion. Les contous des distibutions de swil calculées pou les deux modèles à TDC sont montés dans la figue 1.i et la figue.i. Des stuctues tès semblables du champ d'écoulement sont obsevées. Les vitesses tangentielles maximales des calculs avec le modèle Bloc cylindique sont d envion 6% supéieues à celles des calculs avec le modèle Omega. b) Résultats à TDC avec maillage lage: La figue 3.f monte l'écoulement de votex calculé à TDC utilisant le modèle Omega de 8 cellules. Le sens du votex emplissant la majeue patie de la cuvette dans la figue 1.h est epoduit en utilisant la gille lage, mais les vitesses sont d envion 40% inféieus ves le fond de la cuvette. La eciculation dans le sens contaie des aiguilles d'une monte, pès de l'axe de la chambe de combustion dans la figue 1.h n'est pas ésolue avec le modèle à maillage lage, bien que les vitesses centipètes avec gille lage dans cette égion soient poches de celles calculées en utilisant le maillage plus fin. On obseve des vitesses élevées d'anti-squish dans la figue 3.f le long de la culasse. Elles semblent ête dues à l'influence des conditions aux limites de paoi dans l espace ente la culasse et la couonne du piston, limitant une quantité de mouvement opposée, poche de la lève de la cuvette. Une intevention pa des fonctions de paois devait pemette de les éduie, ceci est discuté dans la section 4.6 cidessous. La figue 4.f monte l'écoulement de votex calculé à TDC pou le modèle Bloc cylindique à maillage lage. La stuctue de votex epoduit les caactéistiques pincipales de celles epésentées su la figue.h pou le maillage fin, bien que les vitesses dans la cuvette soient généalement inféieues. On obseve également les vitesses d'anti-squish dans le modèle Bloc cylindique à maillage lage. Les distibutions tangentielles des vitesses calculées pou les deux modèles avec maillage lage sont montées dans la figue 3.g pou le modèle Omega et la figue 4.g pou le modèle Bloc cylindique. Il y a peu de difféence ente ces ésultats pou la valeu de cête et pou la position de la vitesse de swil au dessus de la cuvette. En compaant les ésultats du -51-

67 maillage lage et du maillage fin (figues 1.i et.i), le swil positionné plus pofondément dans la cuvette est mieux epésenté pa le modèle Bloc cylindique à faible ésolution du maillage que pa le modèle à cuvette Omega à maillage lage, bien que lissé et déplacé ves l'axe en aison des lages cellules poche des paois. c) Résultats à 0 ATDC: Le denie ensemble de figues epésente les champs des écoulements pendant l'expansion du volume. La figue 1.j et la figue.j montent les vitesses dans le plan axialadial pou les modèles à maillage fin. On obseve un écoulement déstuctué dans les deux figues comme pévisible à cette position angulaie de tansition. Le champ des vitesses du gaz pès du piston n est pas encoe de même échelle que la vitesse du piston. On obseve des flux inveses, emontants ves l espace ente la culasse et la couonne du piston. Les gandeus de leus vitesses sont semblables. Les votex calculés sont encoe pésents dans la figue 1.j pou le modèle Omega. La figue.j monte des vitesses inféieues au-dessus de la cuvette du piston et le votex cental a dispau. Les faibles valeus de vitesses obsevées dans la cuvette, entainant une faible quantité de mouvement, suggèent que la distibution du champ des écoulements de gaz dans cette zone n'a déjà plus d'influence su la fin du pocessus de combustion. Les figues 3.h et 4.h montent les vaiantes de maillage à faible ésolution pou les modèles Omega et Bloc cylindique espectivement. La caactéistique pincipale, c.-à-d. l'invesion d'écoulement dans le volume ente culasse et couonne du piston est bien epésentée avec les deux modèles, bien que le niveau maximum des vitesses soit de pès de 10% inféieu dans les modèles à maillage lage. Les contous de vitesses tangentielles sont illustés dans la figue 1.k pou le modèle Omega - à maillage fin et dans la figue.k pou la géométie du modèle Bloc cylindique. Les vitesses de swil les plus élevées se sont déplacées ves le fond de la cuvette et des positions semblables sont obsevées. Les distibutions de vitesses coespondantes avec gille lage sont montées dans la figue 3.i pou le modèle Omega et dans la figue 4.i pou le modèle Bloc cylindique. Comme à la position angulaie TDC, la vitesse tangentielle maximale s est déplacée ves l'axe de la chambe de combustion dû au lissage poduit pa les fonctions de paoi. Les valeus maximales sont inféieues de 35% pou le modèle Omega à maillage lage, en compaaison avec les modèles à maillage fin. Le swil élevé pès de la lève de la cuvette, obsevée avec les modèles à maillage fin, est mieux epoduit avec le modèle Bloc cylindique à faible ésolution qu'avec le modèle Omega Calculs de la tubulence: La généation des niveaux de tubulence a été analysée en utilisant le coefficient de viscosité tubulente et le calcul de l'énegie cinétique de la tubulence à la fin de la couse de compession. Un pemie ensemble epésente la viscosité tubulente à SOI. La viscosité tubulente µ t est employée dans l'équation du mouvement pou epésente l accoissement du mélange povoqué pa la tubulence dans l'écoulement, pendant le cycle du moteu. La figue 1.l monte la viscosité tubulente pou le modèle Omega à maillage fin. Une viscosité tubulente plus élevée est calculée le long de la condition limite de paoi pès de la lève de la cuvette. Ceci suggèe que la pise en compte de la généation de tubulence devait ête effectuée pincipalement dans les cellules poches de la paoi où il y a un cisaillement impotant. Ceci peut ête éalisé pa l'utilisation de fonctions de paoi et est discuté dans la section 4.6. La figue.l illuste la viscosité tubulente pou le modèle Bloc cylindique à maillage fin et elle monte que la géométie a peu d'effet à cette position angulaie. Une -5-

68 investigation postéieue est montée su les figues 1.m et.m pou les modèles Omega et Bloc cylindique, espectivement. Ils confiment la tendance déjà obsevée à 10 BTDC et démontent la généation de tubulence le long des paois de la cuvette du piston. Les calculs de viscosité tubulente avec gille lage sont montés dans la figue 3.j pou le modèle Omega et la figue 4.j pou le modèle Bloc cylindique. Ils founissent des détails de l'amplitude de la vaiation de la viscosité tubulente. Si µ t avait été à peu pès unifome au-dessus du cylinde, des expessions simples pou la tubulence auaient pu ête employées dans le code ZGF. Cependant les deux figues mettent en évidence que le modèle K-ε pefome mal avec des gilles à faible ésolution. Ceci est pévisible étant donné la discussion su le modèle de tubulence au chapite.4.. Le modèle de tubulence K-ε demande deux équations difféentielles additionnelles (.8) et (.9) à ésoude en plus des équations de quantité de mouvement (.8) à (.1). L'énegie cinétique de la tubulence caactéise les fluctuations tubulentes de viscosité. Les ésultats de la viscosité µ t détaillés ci-dessus sont founis à pati des valeus pou k et ε calculées dans chaque cellule pa l équation (.31). Les figues 1.n et.n montent l'énegie cinétique tubulente calculée pou le modèle à maillage fin Omega et pou la géométie Bloc cylindique avec ésolution de gille analogue. Les obsevations sont semblables à celles faites pou la viscosité tubulente. Les compaaisons de ésolution avec la figue 3.k pou le modèle Omega à maillage lage et la figue 4.k pou la contepatie du modèle Bloc cylindique illustent encoe qu une gille lage se compote mal à ces faibles ésolutions, puisque la généation de tubulence se fonde su des calculs pécis des gadients de vitesse dans l'écoulement. Les investigations su la éduction du lissage vont founi davantage d'infomation su le compotement du modèle K-ε avec des gilles à faible ésolution. L'utilisation des fonctions de paoi peut amélioe le poblème identifié du smeaing. Les infomations supplémentaies appofondiont la compéhension de la tubulence avant de tie les conclusions su l'intégation de la modélisation de la tubulence dans le modèle ZGF Taitement des couches limites aux paois: Comme discuté au chapite.3.1, les fonctions de paois appliquées aux conditions limites du domaine de solution pennent en considéation la condition de non glissement de l'écoulement du gaz. L'appoche appliquée ici est une méthode de fonction de paoi logaithmique. Cette fonction jette un pont su la couche de cellules poche de la paoi en eliant ses conditions d'écoulement au este du domaine d'écoulement entièement tubulent. Les investigations de paois ont étés appliquées diectement au modèle Bloc cylindique à maillage lage. Les infomations données pocuent la méthode appopiée pou la topologie du maillage à éalise dans le pogamme de simulation ZGF. La pemièe patie de cette section concene l'analyse des quate modèles pou compende le compotement de la méthode des fonctions de paois. Les infomations ont été illustées en taçant la distance sans dimension y+ des paois, donnant une elation ente l'épaisseu appopiée de la couche de cellules et les vitesses tangentielles non dimensionnelles aux paois. Selon Vesteeg [4], cette ainsi nommée couche de loi logaithmique ne devait ête ni top petite, sinon le pont pouait ête uniquement inclus dans la sous-couche laminaie, ni ête top gand ca l écoulement à cet endoit pouait ne pas se compote de la manièe assumée los de la déivation des fonctions de paois. Idéalement la distance nomale sans dimension à la paoi devait pende des valeus ente 30 et

69 Tous les tiages éféencés ci-dessous se touvent en annexe E. La figue 5.a monte l enveloppe des cellules de paoi de la suface extene du domaine de solution avec leu numéo de cellule associé. Les ésultats des fonctions de paois logaithmique y+ sont donnés, ainsi que l étendue des valeus pou toute la suface. La valeu maximale de 1449 se touve le long de la paoi latéale de la cuvette. Bien que cette valeu maximale soit supéieue de celles spécifiées pa Vesteeg [4], elle est considéée suffisamment pécise étant donné la ésolution de gille utilisée pou les calculs à maillage fin. Un échantillon de cellules unifomément épati a été choisi abitaiement su les paois, aux limites du domaine pou compae avec les positions similaies de la géométie Bloc cylindique. Une vue des cellules est illustée dans la figue 5.b. Les fonctions de paois suivant la loi logaithmique y+ ont été tacées en fonction de la position angulaie pou chaque cellule. Les gaphiques se touvent dans la figue 5.c, avec les numéos de paoi se appotant à leu position dans la figue 5.b. Le nombe d itéations su l'axe hoizontal doit ête divisé pa tois pou touve la position angulaie coespondante. Les gaphiques de la figue 5.c mettent en évidence la non-linéaité élevée du paamète sans dimension y+ pou les fonctions de paoi de loi logaithmique. On obseve habituellement les valeus maximales de y+ ves 5 BTDC. Elles sont dépendantes pincipalement de l'augmentation de l'activité du teme de l'énegie cinétique de la tubulence dans l'équation (.16). Toutes les coubes montent des détails des vaiations des valeus de y+ à la paoi. On obseve des coubes saccadées su la paoi de la couonne du piston et dans une moinde mesue su la paoi de la culasse. Bien que ceci este peu clai, ce pouait ête une conséquence du compotement instable de l'écoulement du gaz poduit pa le mouvement de la condition de paoi, ainsi que la éduction de lageu de l espace ente la couonne du piston et la culasse. Ves TDC, l'intensité de y+ coèle avec la position des cellules de paois dans le volume de squish. Les cellules des paois de la couonne du piston et de la culasse montent claiement cette coélation: Les valeus de y+ pès de TDC sont plus élevées pou les cellules pès de la cuvette du piston et diminuent ves la paoi du bloc moteu. Une exception étant la cellule n 3861, la plus poche du cylinde, qui est fotement affectée pa l'activité de tubulence dans la zone de la paoi du cylinde. Des changements soudains de la tendance des valeus de y+ sont obsevés dans pesque toutes les coubes et sont la conséquence de changements de la distibution de l'écoulement du gaz aux paois. De telles vaiations peuvent ête les eciculations ou le changement apide de la vitesse tangentielle à la paoi. Ces compotements tansitoies sont obsevés le long de la paoi de la culasse, où les vaiations de l'écoulement du gaz se popagent du bloc cylinde ves la cuvette du piston. Les figues 6.a et 6.b détaillent le paamète y+ pou le modèle Bloc cylindique à maillage fin à SOI et un échantillon des cellules de paois est epoduit dans les positions similaies au cas Omega. La figue 6.c monte le specte complet des valeus calculées du paamète y+ pou les conditions limites de paoi choisies. Les ésultats sont tès semblables aux ésultats du modèle Omega dans la figue 5.c. Quelques difféences sont obsevées pou les valeus de la paoi de la cuvette du piston. C'est le ésultat de la difféence de géométie ente les deux modèles. Cependant la pincipale stuctue de distibution est équivalente dans les deux figues suggéant qu un taitement compaable de la couche limite de la paoi pouait conduie à des effets semblables. Les paois des modèles à faible ésolution sont montées dans la figue 7.a pou la géométie du modèle Omega. Dans ce cas, toutes les conditions limites de paois sont détaillées et les ésultats sont donnés dans la figue 7.b de BDC à 60 apès TDC. La pincipale difféence avec les ésultats à maillages fins est que des coubes plus lisses sont calculées. Ceci est dû à la faible ésolution de la gille, donnant uniquement la configuation d'écoulement pincipale pou chaque volume de contôle. Le maximum du paamète y+ est touvé encoe dans la paoi latéale de la cuvette du piston, mais sa valeu est au delà de -54-

70 Évidemment, ceci est pévisible losqu on considèe le lissage de la distibution du swil obsevée à cette ésolution de maillage. L'écoulement du gaz à cet endoit ne se compote pas comme attendu losqu on utilise cette ésolution de maillage associée aux fonctions de paois pou le taitement des couches limites. Une intevention de modélisation est nécessaie pou amene le maximum du paamète y+ pou la fonction de paoi logaithmique à une valeu plus acceptable. Ceci est discuté en détails dans la pochaine patie de cette section. Une aute difféence significative epésentée su la figue 7.b, en compaaison avec les ésultats de la gille fine, concene les ésultats calculés obtenus aux paois de l espace ente la couonne du piston et la culasse. Les coubes epésentant les deux conditions limites de paoi ont un maximum pendant la couse de compession et le paamète y+ diminue ves TDC, au lieu d atteinde les valeus les plus élevées à TDC. Ceci met en évidence l'inexactitude de l'appoximation entepise dans les fonctions de paoi de loi logaithmique avec le modèle à faible ésolution. Cette inexactitude devait ête coigée pa un taitement appopié aux conditions limites de paoi. Les calculs décits ci-dessus ont été épétés pou le modèle Bloc cylindique à maillage lage. Des ésultats sont affichés dans la figue 8.a pou le paamète sans dimension y+ pou les fonctions de paoi à loi logaithmique à SOI, ainsi que la position des conditions limites de paoi et leu numéo. La coespondance avec la figue 8.b est alos diecte. Elle détaille les calculs du paamète y+ pa appot à la position angulaie pou chaque condition limite de paoi. Des ésultats similaies sont obtenus en compaaison avec la ésolution de gille équivalente pou le modèle Omega. Cette similitude est aussi pésente dans la epésentation de la couche limite dans le volume de généation du squish, la valeu maximum de y+ et les mêmes effets des écoulements calculés dans les cellules à poximité des paois su la distibution du paamète y+ pou les deux géométies. Les ésultats calculés pou les quate modèles en cycle femé soulignent l'inexactitude de la pévision du compotement des écoulements de gaz dans les couches limites pou les modèles à gilles lages. Pa conséquent une intevention de modélisation su le pocédé de maillage est nécessaie afin d'amélioe la définition du compotement des écoulements dans ces zones. Les fonctions de paois sont une manièe économique de epésente les couches limites tubulentes, ca elles n ont besoin que d une seule cellule pou elie la couche limite à l'écoulement intéieu du domaine de solution. Réduie l'épaisseu de la couche de cellules adjacentes aux paois est une manièe d'ajuste le paamète sans dimension y+ aux fonctions de paois logaithmiques. Le taitement des conditions limites de paois à été appliqué su le modèle Bloc cylindique à faible ésolution. Une couche additionnelle de cellules a été implantée su le bod extéieu du domaine d'écoulement et la topologie de maillage a été maintenu identique. Une vue du maillage est epésentée dans la figue 9.a et un détail de la connectivité des cellules à la lève de la cuvette est illusté dans la figue 9.b. Les calculs ont été effectués avec cette gille pou étudie les effets de la ésolution à poximité des paois su le paamète sans dimension y+ pou les fonctions de paois à loi logaithmique. Les ésultats ont été ajustés pou obteni le paamète y+ dans la plage de valeus appopiée. Le ésultat est un compomis : Des valeus top basses du paamète y+ ont été évitées dès que possible los de la couse de compession, en consevant des dimensions appopiées pou l'épaisseu de la couche de cellules aux paois. Pa conséquent les effets des fonctions de paois logaithmiques su l'activité de la tubulence dans la couche limite sont appliqués aux localisations adéquates. La figue 9.c monte les valeus calculées du paamète y+ à SOI pou la totalité des conditions limites de paois. Elles se touvent dans une plage convenable, la valeu maximale est inféieue à 500 et se touve toujous poche de la lève de la cuvette du piston. La figue -55-

71 9.d monte le gaphique des calculs pou le specte complet du cycle de simulation. Les coubes ont les fomes semblables avec les valeus maximales pès de TDC. En utilisant une couche de cellules plus mince aux limites de paois, cela donne une meilleue epésentation du paamète de loi logaithmique y+ compaé avec les valeus initiales calculées, paticulièement dans l espace ente la couonne du piston et la culasse. Les figues 9.e et 9.f founissent des détails des gaphiques pès de TDC et apès BDC espectivement. Des paamètes coects y+ sont calculés ves TDC, avec les valeus dans la plage ente 100 et 510. Cependant la plupat des ésultats sont inféieus à 30 apès BDC et ceci est pévisible étant donné la plage de valeus initiales pou y+ pou les modèles à faible ésolution. L'évaluation des effets su les vitesses calculées du champ de l'écoulement est entepise en taçant les vitesses axiales-adiales et la distibution des vitesses de swil à SOI dans la figue 9.g et la figue 9.h espectivement. Des ésultats similaies sont obsevés avec le modèle Bloc cylindique à maillage fin epésenté su la figue.g dans l'annexe D. Cependant des vitesses axiales élevées sont calculées le long de la paoi latéale de la cuvette et sont dans le sens opposé. C est la conséquence de la basse ésolution de la gille du modèle, qui ne epésente pas le petit votex se touvant pès de la lève de la cuvette dans la figue.g, conjuguée à l'intensité élevée de la tubulence touvée dans la même égion. Cette vitesse élevée peut avoi une influence considéable su le coefficient de tansfet de chaleu pa convection du gaz ves la paoi calculé dans cette zone, et doit ête éduite pou obteni une valeu semblable à celle du modèle à maillage fin. La figue 9.h évèle la diminution considéable du smeaing accentuant l'influence des fonctions de paois aux conditions limites. Les détails des changements apès le taitement de modélisation de la couche limite de la paoi latéale de la cuvette sont epoduits dans la figue 9.i. La valeu maximum du paamète y+ a été augmentée jusqu'à envion 00 à SOI, comme compomis pou la distibution de vitesses adéquate le long de la paoi latéale de la cuvette. La figue 9.j monte la ésolution du maillage ésultant, donnant une vitesse axiale pès de la paoi de gandeu équivalente à ce qui est calculé en utilisant le modèle à maillage fin. La distibution du champ de l'écoulement de swil est donnée en complément dans la figue 9.k avec l'illustation du smeaing accu à la paoi latéale de la cuvette du piston. La ésolution de la gille en ésultant, utilisée pou les calculs numéiques avec le taitement des couches limites pa les fonctions de paois, a utilisé 51 cellules dans le domaine de solution. L'épaisseu des cellules dans les couches pès des paois sont écapitulées dans le tableau 4. et peuvent ête spécifiées comme suit pou le modèle ZGF : 1,5% de la longueu initiale de la cellule axiale pou la couche de cellules fixée à la culasse et 0,8% pou la couche de la couonne du piston.,3% de la lageu de la couche de cellules adjacente pou les cellules fixées au cylinde. 5,8% de la couche de cellules adjacente pou les cellules attachées à la ehausse de la cuvette du piston. 33% de la couche de cellules adjacente pou les cellules attachées à la face latéale de la cuvette du piston. -56-

72 Cette denièe étant plus lage que dans les autes zones pou pende en compte la vaiation encontée los des compaaisons effectuées ente les modèles à maillage lage et fin, avec la même géométie. Position de la couche de cellules Epaisseu (mm) Paoi de la couonne du piston 0, Paoi de la culasse 0,4 Paoi du cylinde 0,17 Paoi de la cuvette du piston 0,3 Paoi de la lève de la cuvette du piston Tableau 4.: Topologie du modèle à maillage lage pou le taitement des couches limites. -57-

73 5. Simulations CFD axisymétique avec écoulements d admission: Les investigations suivantes dans la modélisation des chambes de combustion de moteu Diesel HSDI ont concené l'évaluation des pévisions des écoulements de gaz dans le cylinde pou le cycle de simulation complet. Elles founiont une compéhension exhaustive de l'influence des écoulements d admission, en paticulie su la masse de gaz empisonnée dans la chambe de combustion. Ainsi, l achèvement des outils pédictifs tels que le pogamme ZGF, avec l'inclusion du mouvement des flux d admission dans le modèle, est equis pou l'intégation dans les codes de simulation de moteus. La statégie adoptée pou le pogamme de simulation ZGF diffèe de celle entepise pa Moel et Keiba [10], où les écoulements d admission sont egoupés dans la tubulence, ne nécessitant donc pas de définition pou un système d'induction aux limites du domaine de solution. Pa conte, le pogamme ZGF pévoit d adapte les conditions aux limites pou pende en considéation le fonctionnement de soupapes idéalisées pendant le pocessus d'induction des simulations de cycle de chambe de combustion de moteu. Dans ce cas la tubulence sea généée à la condition limite d'admission en supplément de la généation de tubulence pa le mouvement du piston. Le but des investigations du modèle CFD avec admission est de défini et évalue des appoches appopiées pou modélise les écoulements d admission en utilisant des géométies idéalisées des oifices d admission et des soupapes conduisant à des pofils de distibution d'écoulement de gaz spécifiques aux conditions limites d'admission. Une pemièe phase d'investigations de modélisation des écoulements d admission concene l'intégation des conditions limites d'admission dans le modèle à maillage fin Omega pécédemment décit dans le chapite 4. Les simulations des effets du débit de l'écoulement d'admission en fonction du changement de ses caactéistiques ont été éalisées pou une compaaison avec le modèle en cycle femé utilisé comme éféence. Une compéhension exhaustive du compotement du champ d'écoulement de gaz généé depuis les oifices d admission en a ésulté. La généation de swil a été évaluée en utilisant un couant otationnel simplifié comme condition limite d'admission au lieu de l'état initial otationnel du champ d'écoulement à l'intéieu du cylinde au début des calculs. Pou la seconde étape, des compaaisons des paticulaités des conditions limites d'admission avec leu modèle équivalent à maillage lage et l influence de leu suface et de leu position a été investigué. Cette étude a pemis de donne quelques oientations su la position des oifices d'admission et leu influence su le champ des écoulements de gaz à IVC Appoche des écoulements d admission: Comme discuté pécédemment au chapite 4.., la disposition des soupapes dans la chambe de combustion du moteu PUMA n est pas axisymétique. Pa conséquent un système d admission idéalisé a été mis en place dans les modèles CFD. Les conditions limites d'admission ont utilisé quelques cellules su la suface extene du domaine de solution pou -58-

74 les modèles à maillage fin, définissant la suface d ouvetue équivalente des doubles soupapes du moteu diesel PUMA. Cette configuation d admission a en fait une fome annulaie concentique à l'axe de la chambe de combustion. Pa conséquent la géométie efficace de l admission n'est pas epésentative de celles touvées habituellement dans les moteus diesel HSDI. Cette appoche à été adoptée étant donné la configuation axisymétique des modèles, alos qu'une desciption pécise de la géométie des soupapes d'admission auait nécessité des modèles CFD tidimensionnels. L'étude de sensitivité des écoulements d admission a été éalisée avec cette appoximation, en évaluant tous les paamètes d écoulement éels, et en supposant des valeus ciconféentielles moyennées. Leu influence su la masse de gaz empisonnée ésultante à IVC a été compaée ente les difféents modèles. Les distibutions des écoulements de gaz epésentent les caactéistiques de l'écoulement pa les oifices d admission, diects ou hélicoïdaux, et leu position su le cylinde. La desciption de la statégie de constuction entepise concenant les caactéistiques des conditions limites d'admission est décite ci-apès en elation avec leu implémentation dans le pogamme de simulation ZGF. 5.. Configuation des écoulements d admission: L investigation de la sensibilité de la distibution des écoulements de gaz aux flux d admission à IVC, a equis de défini les conditions d admission pa appot à la position et à la suface de l oifice d'admission, le nombe de faces de cellules incluses dans la condition limite, l'extapolation ente les gilles fines et lages ou le pofil d ouvetue des soupapes. Tous ces paamètes ont étés implantés dans les modèles, avec comme éféence la géométie et les caactéistiques des pots d admission du moteu PUMA Position et suface des oifices d admission: Comme décit au chapite , le moteu PUMA est un moteu diesel HSDI compotant quate soupapes pa cylinde. Les axes des doubles soupapes d admission sont à 6 millimètes du cente de la chambe de combustion. Les autes infomations concenant la géométie des soupapes d'admission sont également détaillées dans le tableau 4.1, en paticulie le diamète intéieu du pot de 4mm et l angle du siège des soupapes de 30. Une illustation du pot des soupapes d admission est décite su la figue

75 Figue 5.1: Caactéistiques de l ensemble pots d admission soupapes. Les cellules utilisées pou les conditions limites d'admission ont étés positionnées aussi poches que possible de l'axe des soupapes, c.-à-d. à 6 millimètes de l'axe de la chambe de combustion. Cette position a dû ête coélée avec la suface totale equise pou le débit de l écoulement d admission. Etant donné que l aie de la face des cellules su la suface de la culasse ne sont pas adialement unifome dû à l'appoche axisymétique et donc de l'angle défini pou les conditions limites cycliques du domaine de solution, la position et la suface de l admission ont étés ajustées dans les modèles à maillage fin, sans modifie la topologie du maillage. En pemièe appoximation la suface d'écoulement de l oifice d admission a été définie abitaiement comme suit [1] : mm. ( Dp Ds ) Am 414mm ( 5.1) Am = π = 4 Avec Dp étant le diamète du pot et Ds le diamète de la tige de la soupape, soit 7 La suface géométique de l'écoulement est une fonction complexe des soupapes, des dimensions du siège et du pofil de la manœuve d ouvetue. Comme pincipe de simplification, le pofil d ouvetue des soupapes n'est pas simulé avec les modèles CFD, et la suface de l oifice de l'écoulement d admission a été maintenu constante pendant le pocessus d'induction. Il est décit su la figue 5. ci-dessous. La valeu pou la suface d'écoulement epésente la suface efficace moyenne pendant le pocessus d admission. Ceci a pemis d implante un pofil simple d ouvetue des soupapes d'admission dans le modèle ZGF et un moyen pou une validation diecte pa appot aux modèles CFD. -60-

76 Figue 5.: Pofil de la section d écoulement d admission. Une suface appopiée a été définie avec la gille fine en utilisant cinq cellules avec une limite intéieue à 4 mm de l'axe de la chambe de combustion et une lageu de l'admission de 5 mm. La suface totale de l'admission étant de 89 mm pace que le moteu PUMA compote deux oifices d'admission. La position de la suface d admission est epésentée su la figue 5.3 pou le modèle Omega à maillage fin. Cette suface d'écoulement d admission a été déteminée uniquement dans le but d'effectue des compaaisons ente les pévisions des modèles CFD, et ultéieuement pou la validation des ésultats obtenus avec le pogamme ZGF. Aucune validation pa appot à des données expéimentales existantes n a été possible pace que les modèles CFD avec admission n'ont pas été configués assez poches des paamètes de fonctionnement du moteu PUMA, en aison du manque de données adéquates de validation. Les vaiations étant la suface de l'écoulement d admission non-unifome en fonction de l angle du vilebequin, la suface d'écoulement minimum suestimée ou la suface efficace d'écoulement dû au coefficient de pete de chage. Cependant les paamètes des modèles avec admission ont étés configués pou coesponde aussi pès que possible du pocessus éaliste de l'écoulement de gaz à l admission des chambes de combustion de moteu diesel. -61-

77 Figue 5.3: Position de l écoulement d admission Desciption des modèles: Pincipalement des configuations du domaine de solution identiques aux investigations CFD en cycle femé ont été employées que pou les. Des conditions limites d'admission ont été ajoutées aux modèles pécédents pou simule les flux d admission à taves des faces de cellules su la suface extene du maillage. Ci-dessous sont détaillées les mises en œuve spécifiques appliquées aux modèles avec admission pou éalise l'analyse CFD Conditions limites d admission: Les valeus des conditions limites ont été spécifiées diectement aux faces appopiées des cellules aux limites définies comme zone de condition limite d'admission los de la constuction du maillage. L ensemble des vaiables dépendantes ont inclus les vitesses, la tempéatue et la densité, et les niveaux de tubulence. Les composantes des vitesses d'admission ont été assignées aux faces des cellules. Diveses distibutions de vitesses ont été spécifiées pou évalue leu influence su la masse de gaz empisonnée à IVC. Elles ont inclus les vitesses axiales, adiales, et les vitesses tangentielles avec un pofil de distibution constant ou otationnel. Les composantes ont été intepétées dans le système de coodonnées local et appliquées aux centes de suface des conditions limites. Des études de sensibilité des distibutions de vitesses ont été éalisées et sont décites de manièe exhaustive ci-dessous. La densité a été spécifiée à la condition limite d'admission pou détemine, avec la composante nomale de la vitesse à la face de la cellule, le flux massique d'admission. Le débit d'écoulement massique a été fixé constant pendant les calculs pou pemette le contôle appopié de l'écoulement d admission et de l'écoulement massique total à IVC. Comme les écoulements dans le cylinde des chambes de combustion HSDI des moteus Diesel sont connus comme compessibles et subsoniques, la valeu éelle de la densité aux limites faisait -6-

78 patie de la solution et a été évaluée à chaque itéation. Ceci a été fait en extapolant la valeu de la pession du domaine de solution et en calculant la densité à pati de la elation avec l'équation d'état PV = nrt. Les composantes des vitesses sont alos ajustées pou conseve le débit massique entant dans la chambe de combustion identique. La diection initiale du vecteu de la vitesse à la condition limite d'admission a été maintenue avec un angle de 30 ente les composantes axiales et adiales pendant les calculs, pou coesponde à la géométie du siège de la soupape du PUMA. La tempéatue de l ai aspié a été equise pou ésoude l'équation de consevation de l'énegie (.1) et a été appliquée aux conditions limites d'admission. Les paamètes de tubulence ont été inclus sous fome de l'intensité I et de l échelle de longueu l de la tubulence. Ils ont été appliqués pou ésoude les deux équations difféentielles patielles du modèle de tubulence K-ε sélectionné. Cette option a été pivilégiée, au lieu de pescie l'énegie cinétique de la tubulence K et le taux de dissipation ε diectement, pace que la gandeu de la vitesse à la condition limite d'admission peut ête modifiée pendant les calculs pou pende en compte la consevation du débit massique tavesant la condition limite d'admission. Il était nécessaie dans ces ciconstances d établi l'intensité de la tubulence locale I et l échelle de longueu l, pou s'assue que l énegie cinétique de la tubulence, le taux de dissipation et la viscosité tubulente µ t soient coectement popotionnées avec la gandeu U de la vitesse ajustée à la condition limite d'admission pou mainteni le débit massique de l'écoulement à la valeu constante définie cidessus. Les vaiables dépendantes sont liées en utilisant les elations de l énegie cinétique de la tubulence K = I 3 U (5.) et du taux de dissipation de la tubulence (.9) spécifiées à la condition limite d'admission. Cette patique à été nécessaie pou à la fois le éalisme physique et la stabilité numéique de la solution. De plus les valeus de l'intensité de la tubulence et de la longueu d échelle sont plus faciles à mesue pendant le fonctionnement du moteu et donc des données expéimentales peuvent ête appotées pou validation. Cependant des infomations des niveaux de tubulence aux oifices d'admission du moteu PUMA n'étaient pas disponibles pa manque de mesues détaillées dans le cylinde. Les conditions limites de tubulence à la suface d admission ont été estimées à pati des données touvées dans la littéatue [16], pou des caactéistiques d'écoulement d'admission. Une étude de sensibilité a été éalisée pou évalue l'influence des niveaux de tubulence su l'écoulement dans le cylinde pendant la couse de compession et la validité des valeus spécifiées ci-dessus. Bien que les similitudes puissent ête discutées, dues aux difféences des conditions de fonctionnement du moteu et de la géométie de la chambe de combustion, les mesues ont monté que les niveaux de tubulence dans le cylinde pendant la couse de compession sont peu sensibles au changement substantiel de l'intensité et de l échelle de longueu de la tubulence pou les conditions limites d'admission [0]. Les valeus pescites pou les investigations su les modèles CFD sont détaillées plus loin dans le appot los de l analyse des ésultats des calculs. -63-

79 5.3.. Conditions initiales: Pou les calculs CFD en cycle femé, les conditions initiales appliquées au domaine de solution étaient supposées ête une epésentation adéquate de la distibution des écoulements de gaz dans le cylinde à BDC, avant la couse de compession. Les valeus de pession et de tempéatue ont été choisies abitaiement pa appot aux conditions de fonctionnement du moteu. En paticulie, un champ d'écoulement solide otationnel a été spécifié avec une vitesse de swil de t/mn, qui a été considéé unifome le long de l'axe de la chambe de combustion. Les modèles CFD avec induction pemettent de affine ces conditions initiales en simulant le jet de l'écoulement d admission, qui génèe le mouvement de swil dans la chambe de combustion à taves les caactéistiques des oifices d'entée. Pa conséquent, un état de stagnation du gaz à été pescit à l'écoulement dans le cylinde et la pession et la tempéatue initiales ont été evues pou faie coesponde la masse totale de gaz empisonnée equise à IVC, pou chacun des modèles étudiés. La ésolution à débuté à TDC avant la couse d admission et tois temps moteu ont été calculés. Des événements négatifs ont été assignés à la solution pou pende en compte le pocessus de suppession de couches de cellules nécessaie pou atteinde la position TDC avant la couse d admission. Cette pocédue a pemis d économise du temps et de la mémoie de calcul et a évité le calcul de la couse d'échappement. Donc son influence n'a pas été pise en considéation étant donné que les conditions initiales ont été imposées au début de la couse d admission. Les autes conditions de fonctionnement spécifiées aux modèles CFD avec admission ont inclus les spécifications de deux étapes difféentes de chagement pou pende en compte le changement d état des conditions limites à la position IVC Débit massique de l écoulement d admission: Le paamète pincipal pou établi des compaaisons diectes ente les modèles CFD avec admission et leu équivalent en cycle femé à été d'obteni la même masse totale empisonnée dans le cylinde à IVC, c.-à-d. à 37 degés apès BDC pendant la couse de compession. Cet état a pemis de compae les vaiables pendant la ésolution su une base similaie. Les conditions initiales coespondantes à IVO sont en liaison avec la masse totale de gaz dans le cylinde pa la elation suivante: Le débit massique de l'écoulement étant constant ente TDC et 37 ABDC coespondant à IVC, comme ésultat du débit massique fixe de l'écoulement spécifié à la condition limite d'admission, la masse totale entant dans la chambe de combustion pendant le pocessus d'induction est déteminé pa: m int = ρ int U A t (5.3) limite. Où U définit la vitesse nomale d admission aux sufaces des cellules de la condition A étant la suface d'admission coespondant à 0,73 mm pou les modèles CFD avec A 9 A = m 360 De l'équation (5.1) -64-

80 t est défini comme la péiode d'ouvetue de la soupape d'admission et est donné pa: 60 α t = N 360 (5.4) Où N est la vitesse de otation du moteu en t/mn (4000 t/mn pou cette étude). L'hypothèse d'un débit massique de l'écoulement constant pemet à la masse de gaz à l admission d'ête calculée ca les effets petubateus tels que l'invesion d'écoulement dans l admission ne sont pas pis en compte quand les soupapes d'admission se fement apès le début de la couse de compession. Une telle hypothèse est acceptable en aison de la vitesse élevée du moteu définie pou le modèle où l'invesion de l'écoulement est considéée comme négligeable à cause de l'effet Ram [1]. C'est le ésultat de l'inetie du gaz dans le système d admission, élevant la pession dans le pot quand la soupape d'admission se feme aux vitesses élevées du moteu, continuant de ce fait le pocessus de emplissage du cylinde, quand le piston commence la couse de compession. La femetue tadive de la soupape d'admission apès BDC set paticulièement à tie pofit de ce phénomène Ram. Ainsi la masse totale empisonnée dans le cylinde à IVC est donnée pa m IVC = mtdc + m int où m TDC est la masse de gaz ésiduelle dans le cylinde à TDC avant la couse d admission. La densité de gaz à TDC sea donné pala elation ρ TDC = m V TDC TDC où V TDC est le volume de la chambe de combustion à TDC avec V TDC = 600,78 mm 3. En utilisant l'équation d'état PV = nrt pou l'ai, taité comme gaz idéal P = ρ R T, les conditions initiales pou la pession absolue P et la tempéatue T peuvent alos ête définies pou intégation dans les modèles. T étant la tempéatue absolue de l'ai ésiduel dans la chambe de combustion à TDC. T = 93 K a été pis comme une pemièe appoximation dans les calculs. Les conditions initiales appopiées ont été appliquées aux modèles CFD à TDC et tois temps moteu successifs ont été calculés avec difféentes ésolutions de gille et distibutions de vitesses à la condition limite d'admission afin d'investigue leu sensibilité à la configuation de l'écoulement de gaz à IVC et pendant la couse de compession jusqu'à TDC. La section suivante décit les vaiantes des conditions limites d'admission définies et leu elation à la géométie des pots du moteu PUMA. -65-

81 Sensibilité à la distibution de vitesses d admission: Comme déjà décit au chapite , le moteu PUMA contient deux oifices d admission difféents, avec une fome diecte ou hélicoïdale. Chacun poduit une distibution de vitesses d admission spécifique. La généation de swil pa le pocessus d'induction est éalisée pa des appoches altenatives : Le pot diect aange la sotie de l'écoulement pa l'oifice des soupapes de manièe non unifome dans une diection péféentielle, tandis que le pot hélicoïdal povoque un écoulement de gaz otationnel autou de l'axe de la soupape. Un coquis de la stuctue de l'écoulement dans le plan adial - tangentiel pa chacun des oifices d'admission est décit su la figue 5.4 ci-dessous. (a) Pot diect (b) Pot hélicoïdal Figue 5.4: Repésentation de la diection de l'écoulement à la sotie des soupapes.[18] La distibution ésultante des vitesses d'écoulement généée dans le cylinde pendant le pocessus d'induction est tidimensionnel. L'appoche axisymétique adoptée avec les modèles CFD a nécessité de défini une configuation de la distibution de vitesses d admission obtenue avec de tels pots, en supposant une moyenne des vitesses su la ciconféence. La section pésente détaille le couple pot-soupape idéalisé mis en place dans les modèles CFD pa appot aux stuctues d'écoulement de gaz adéquates existantes dans le moteu PUMA. Le type de condition limite d'admission dans STAR-CD pemet de spécifie les composantes axiales, adiales et tangentielles de la vitesse d'alimentation. Une composante de vitesse de swil peut ête ajoutée aux pécédentes. Ces composantes sont intepétées dans le système de coodonnées local spécifié. Deux systèmes de coodonnées cylindiques ont été -66-

82 pescits aux conditions limites d'admission en fonction de la stuctue de l'écoulement equise. Une attention paticulièe a été potée su la généation et le développement d'un écoulement otationnel axisymétique simplifié pa la condition limite d'admission ves l'intéieu du cylinde. Les difféentes distibutions de vitesses adiales-tangentielles aux conditions limites d'admission des modèles CFD sont décites su la figue 5.5 ci-dessous. Les conditions limites pou le maillage fin sont détaillées su la patie gauche de la figue. Les deux appoches ont utilisé des pofils de vitesse tangentiels et adiaux pescits soit autou de l'axe de la chambe de combustion ou de l'axe des soupapes. Les pofils de vitesses d'admission (c), (e) et (g) sont du type pécédent, tandis que les pofils (a), (b) et (f) sont du denie type. Un pofil supplémentaie a été pésenté avec les vitesses tangentielles d'admission pescites autou de la limite intéieue de la condition de fontièe. Des combinaisons de pofil de vitesse tangentiel unifome et de pofil de type cops solide ont été appliqués aux conditions limites des modèles pou étudie leu sensibilité espective su le compotement des écoulements de gaz dans le cylinde pendant le pocessus d'induction jusqu'à IVC. Les pofils de vitesse (a), (c) et (d) ont employé une vitesse tangentielle de swil pou poduie le mouvement de swil dans le cylinde. Les pofils de vitesse (b) et (g) ont utilisé une pesciption unifome de la vitesse tangentielle, et les pofils (e) et (f) ont été spécifiés avec les deux distibutions simultanément. Toutes les vaiantes ont inclus une composante de vitesse adiale positive combinée avec la distibution angulaie. Les champs d'écoulement de gaz adiaux-tangentiels équivalents aux conditions limites d'admission pou les modèles CFD à maillage lage sont détaillés su la patie doite de la figue 5.4. Il faut note ici que les modèles à maillage lage ne peuvent pas epoduie les pofils de vitesse spécifiés autou de la position de l'axe des soupapes puisque seulement une face de cellule est utilisée pou la condition limite d'admission. Au moins deux cellules auaient été nécessaies pou poduie un pofil de vitesse adéquat au domaine de solution avec gille lage, de ce fait amplifiant la complexité des modèles. La capacité de défini de tels pofils a été éalisée avec le modèle CFD Omega à maillage fin et des études de sensibilité ont été conduites. Les ésultats des conditions d'écoulement d'admission ont été analysés et leu influence su les pédictions du mouvement d'ai dans le cylinde a été évaluée. Les sections suivantes détaillent l'analyse CFD et pocuent des infomations su l adéquation de tels pofils de vitesse d'alimentation avec les conditions de fonctionnement appopiées du moteu. -67-

83 T 14 Z R T 16 Z R T 16 Z T 16 Z R R T 14 Z R Y Z X Validation CFD axisymétique de modèle zonal des écoulements gazeux de ( a ) ( b ) Distibution unifome ( c ) ( d ) ( e ) distibution angulaie et unifome ( f ) Distibution angulaie & unifome ( g ) Distibution unifome Pofils avec maillage fin Pofils avec maillage lage Figue 5.5: Pofils de vitesse d'alimentation adiaux - tangentiels. -68-

84 5.4. Investigation péliminaie: Une étude péliminaie a investigué la généation du mouvement de swil dans le cylinde en simulant l'écoulement de gaz d admission uniquement pendant la couse de compession, soit de BDC avant la compession jusqu à IVC. Le but de cette appoche était de founi des infomations pou la validation du pogamme de simulation ZGF sans devoi simule le cycle complet du moteu. L'objectif était d'évalue l'influence de l'inclusion des écoulements d'admission comme modification du mouvement du champ de l'écoulement pincipal dans le cylinde au début du pocessus de compession. Les calculs ont été éalisés en utilisant plusieus conditions d'admission et leu éalisme ont été évalués. Une éventail de valeus de swil, couplé à des pofils de vitesse axiaux a été pescite aux conditions limites d'admission. La figue 5.6 monte une distibution de vitesses de swil typique pès d'ivc. En dépit des gandeus tès élevées des vitesses d admission (définies jusqu à 50 m/s) le atio de swil calculé dans le cylinde à IVC s'est avéé tès bas. Le moment angulaie pescit n'étant pas assez impotant pou poduie un échange de quantité de mouvement suffisant avec la masse de gaz déjà empisonnée dans le cylinde. C'est le ésultat de l'écoulement stationnaie utilisé comme condition initiale pou l'analyse du cycle commençant à BDC. Avec un tel volume de gaz dans le domaine de solution, des inexactitudes liées aux valeus nulles devaient ête évitées en penant en considéation un swil ésiduel du cycle pécédent. Une illustation confimant la non généation de swil est donnée su la figue 5.7 où le champ des écoulements axiaux-adiaux calculés à SOI monte une otation dans le sens contaie des aiguilles d'une monte du votex pincipal dans la cuvette du piston, caactéistique d un état de swil inexistant décit pa Acoumanis [1] et [17]. Uniquement le mouvement de squish est bien epésenté en aison de l'effet de compessibilité généé pa l espace ente la couonne du piston et la culasse. Cependant le champ d'écoulement axialadial dans le cylinde n'est pas affecté pa l'accoissement de la vitesse de swil due au mouvement de squish du gaz décit pécédemment. Cette méthodologie de simulation CFD ne eflète pas de manièe pécise les phénomènes physiques impliqués dans le mouvement du gaz dans le cylinde des chambes de combustion des moteus Diesel. Pa conséquent la simulation de la totalité de la couse d admission a été equise pou founi la quantité de mouvement angulaie adéquate à la masse de gaz empisonnée dans la chambe de combustion. C'est l objectif détaillé dans les sections suivantes. -69-

85 STAR PROSTAR MAY-99 COMPONENT V M/S TIME = E-0 PSYS= LOCAL MX= 5.01 LOCAL MN= E E-01 Z Omega bowl - fine model (PUMA) with intake flows Cank angle position = 150 BTDC (IVC) Inlet bounday: swil.5 aound the chambe axis, u=5m/s, w=-30m/s Y X Figue 5.6: Vitesses de swil à IVC généées pa les écoulements d admission apès BDC. STAR PROSTAR MAY-99 VEL. COMP U W M/S TIME = E-0 PSYS= LOCAL MX= LOCAL MN= 0.687E E-01 Z Omega bowl - fine model (PUMA) with intake flows Cank angle position = 10 BTDC (SOI) Inlet bounday: swil.5 aound the chambe axis, u=5m/s, w=-30m/s Y X Figue 5.7: Vitesses axiales - adiales à SOI généées pa les écoulements d admission apès BDC. -70-

86 5.5. Simulations du pocessus d admission: L'analyse des simulations du pocessus d'induction a impliqué l'évaluation des configuations du domaine de solution au début des calculs et l'étude de la sensibilité de ces configuations su la solution. Le choix des conditions initiales a eu pou objectif de founi des conditions éalistes de pession et de tempéatue au domaine de solution à IVC. De telles conditions peuvent poveni habituellement de données expéimentales adéquates coespondant à la configuation de la chambe de combustion du moteu. Comme tois temps ont étés simulés à pati de TDC avant le pocessus d'induction, des conditions initiales similaies aux calculs en cycle femé auaient donné des valeus peu éalistes à IVC. Une méthode appopiée à été de compae la masse d'ai pésente dans la chambe de combustion au début de la couse de compession. Cette quantité peut ête extapolée des valeus pises en mesuant les conditions d admission pendant le pocessus d'induction. En définissant l'efficacité volumétique de la chambe de combustion considéée comme un dispositif de pompage d'ai, les conditions equises pou les limites d'admission ont été founies au modèle Analyse des données expéimentales: Des données dans les conditions de cycle foid pou le moteu PUMA à 4000 t/mn ont été nécessaies. Le mouvement de l'ai aspié à taves les soupapes peut ête captué pa diveses techniques de mesue. Celles utilisées couamment incluent soit la visualisation des écoulements telle que la photogaphie pa taceu du mouvement, des techniques pou caactéise diectement les écoulements d admission, comme les oues à palettes et les couple mètes pou la mesue du swil, ou des méthodes locales compenant l'anémométie à fil chaud et l'anémométie Dopple à lase. De telles mesues des vitesses du gaz au niveau des soupapes dans la chambe de combustion n'étaient pas disponibles los du pojet. Pa conséquent quelques coélations ont dû ête faites à pati d'autes ésultats obsevés dans difféentes conditions de fonctionnement de moteu. Les données expéimentales ecueillies dans la littéatue ont founi des infomations su une lage divesité de configuations de chambes de combustion. Cependant, les conditions de fonctionnement décites dans la littéatue technique ont des dispaités de plusieus types pa appot aux valeus equises. Ces conditions concenent la configuation du moteu testé, les aisons possibles des dispaités étant la chambe de combustion du moteu caactéisée pa une conception avec de faibles niveaux de généation de tubulence et de gandes vaiations cycliques, comme appoté notamment pa ZuLoye, Siebes et Al [3], ou des maquettes de moteus de echeche avec une chambe de combustion simplifiée pemettant un accès optique. Comme un cylinde acylique est utilisé dans ce type de moteu de echeche, ils fonctionnent à des vitesses et avec un taux de compession inféieus, compaés à ceux des moteus HSDI, pa exemple dans [4], [5]. Pa conséquent, les difféences ente les études su les moteus de echeche constuits à cet escient disponibles dans la littéatue, et les moteus de poduction tels que configué dans le PUMA de Fod et leus conditions de fonctionnement coespondantes sont telles qu une extapolation quantitative des essais n'est pas diecte. Quand on considèe les techniques de mesue utilisées pou évalue l écoulement à taves les oifices des soupapes, peu de tavail expéimental a été appoté en aison des estictions de ces techniques, telles que l'inteféence des sondes utilisées pou l'anémométie à fil chaud, et les limitations d'accès optique pou l'anémométie Dopple à lase, et de la natue de mesue ponctuelle de ces techniques. Donc, les données expéimentales disponibles pou le moteu PUMA telles que [6], taitaient de dispositifs d essai d'écoulements en égime pemanent, semblable au -71-

87 système de Tippelmann [7]. Elles ont donné des appots de swil et des coefficients de petes de chage moyens, mais les compaaisons avec les conditions des modèles CFD avec admission n'ont pas été diectes à cause des divegences de conditions de fonctionnement. Pa conséquent les données expéimentales ont été utilisées comme point de dépat pou pocue des paamètes éalistes pou les conditions aux limites des modèles CFD. L'appoche adoptée a été d'assigne des vitesses de flux d'ai d'admission aux conditions limites du domaine de solution écupéées des mesues éalisées su les bancs d essais de moteus de l'univesité de Bath. Cette patique a été éalisée en faisant coesponde l'efficacité volumétique des modèles avec les mesues effectuées su le moteu PUMA appotées dans [8]. La moyenne des efficacités volumétiques su les quate cylindes est incluse dans ce appot, mesuée pa la méthode de la masse de l écoulement d ai (Mass Ai Flow - MAF). Elle a donné un bon point de dépat pou le calibage du modèle. Une valeu de 84,9% a été mesuée en utilisant une sonde MAF, et cette efficacité volumétique a été epoduite dans les modèles CFD pou compaaisons. Une telle calibation a été éalisée, qui a défini la configuation des écoulements de gaz à l'admission, pou des compaaisons ente les dives modèles entepis dans la pochaine section. De plus, cetaines données extéieues ont été utilisées pendant l'analyse des écoulements d admission pou confime les tendances appotées pa les ésultats des simulations CFD Analyse des écoulements d admission: Le chapite suivant étudie les ésultats pou les modèles CFD Omega et Bloc cylindique, incluant le pocessus d'induction. Tous les commentaies se appotent aux tiages de post taitement des paties 10 à 17 dans l'annexe F et l'annexe G. Apès la calibation des modèles afin de faie coesponde l'efficacité volumétique equise et la masse empisonnée à IVC, les spécifications du flux d'ai aux conditions limites d'admission sont écapitulées dans le tableau 5.8 ci-dessous : Vitesse adiale u 79 m/s Tempéatue T 93 K Vitesse tangentielle v 47 m/s Densité ρ 1.05 kg/m 3 Vitesse Axiale w -53 m/s Echelle de longueu de la 0.01 m tubulence l Vitesse Angulaie ω 15 pm Intensité de la tubulence I Tableau 5.8 : Paamètes aux conditions limites d'admission. Pou poduie le débit massique equis de l'écoulement, uniquement la composante w de la vitesse doit ête ajustée. Les composantes u, v, et ω de la vitesse de l'écoulement d admission ont été pescites pou investigue leu influence su la distibution de l'écoulement de gaz dans le cylinde Caactéistiques de l écoulement d admission: Une étude de sensibilité a été éalisée su la diection de l'écoulement spécifié aux conditions limites d'admission. Le calcul a été effectué avec et sans l utilisation de la -7-

88 caactéistique d'angle focé, disponible dans le code CFD. Cette fonction pemet de conseve la diection de la vitesse d'alimentation constante pendant les calculs. Comme les écoulements d admission dans les chambes de combustion quittent l'oifice d'admission appoximativement dans la diection de l'angle du siège des soupapes, au moins au début de l ouvetue, soit 30 pou le moteu PUMA, les investigations ont été éalisées pou détemine le changement de diection de la vitesse de l'écoulement des gaz d'admission. La valeu éelle de la densité à la condition limite faisant patie de la solution, elle est évaluée à chaque itéation. Ceci est fait en extapolant la pession du domaine de solution et en calculant la densité depuis l'équation d'état (PV=nRT). Il est monté qu'il n'y a aucune difféence ente les cas avec angles fixes et non focés, confimant qu à la fois la densité spécifiée à la condition limite d'admission et la densité extapolée du domaine de solution sont identiques. Ce ésultat a monté une bonne cohéence avec l hypothèse de faible compessibilité de l'option d'écoulement subsonique spécifiée pou les calculs. Afin de caactéise plus en détail le jet de l'écoulement d admission, le nombe de Reynolds basé su la lageu de l'admission est déteminé comme suit : Gandeu de la vitesse d'admission Vinlet = 106 m/s Viscosité dynamique µ = kg/ms ρ l Vinlet Re = = 5 µ = Etant donné cette valeu du nombe de Reynolds, l'écoulement est considéé comme tubulent, le nombe de Reynolds citique pou passe d un écoulement laminaie à un écoulement tubulent étant d envion 000 [3]. Une aute manièe de classifie cet écoulement compessible est pa le paamète connu sous le nom de nombe de Mach Ma. Il est défini comme le appot de la vitesse d'admission locale à la vitesse du son dans l ai. Il est déteminé comme suit : Constante spécifique du gaz pou l'ai : = 87,1 J/kg.K Rappot des capacités spécifiques de la chaleu γ = C p /C v = 1,4 Vitesse locale du son à la condition limite d'admission: a = γ T = m/ s Donc le nombe de Mach à l admission est: V Ma = a inlet 106 = Puisque le nombe de mach calculé est elativement petit, l'écoulement d'admission est considéé comme subsonique. De plus, les ésultats ultéieus décits dans le chapite montent que le nombe de Mach ne dépasse pas cette limite dans la totalité du domaine de -73-

89 solution des simulations du cycle foid du moteu. Pa conséquent, aucune onde de choc ne peut se poduie pendant le pocessus, et les écoulements dans le cylinde se compotent qualitativement comme un écoulement incompessible, confimant la simplification des effets de compessibilité pise avec le modèle ZGF Compaaisons des pofiles de vitesses d admission: Les figues 10.a et 10.b sont données pou infomation. Elles montent les ésultats équivalents des modèles en cycle femé à SOI, soit sans les écoulements d admission, avec la même masse de gaz empisonnée à IVC que pou leu conte patie avec admission. Ce modèle sea utilisé comme modèle de éféence pou compaaisons dans l'analyse suivante. Les figues montent peu de difféence dans les stuctues d'écoulement calculées, pou la totalité de la simulation. Seulement 6% de vaiation de la vitesse maximum de squish peut ête obsevée dans la figue 10.a. C'est pobablement une conséquence de la éduction de la masse d ai empisonnée à IVC, de kg à kg pou le denie modèle, influençant les conditions de ciculation de l'ai ente la culasse et la couonne du piston, où la modélisation des couches limites pennent une impotance majeue dans un intestice si étoit. La figue 10.c et la figue 10.d montent les compaaisons de la stuctue des écoulements d admission dans le plan axial-adial, pou les deux distibutions de vitesses d'admission à 90 ATDC. Le pofil des vitesses d'alimentation (a), pescit autou de l'axe de la soupape, est utilisé dans la figue 10.c, tandis que le pofil de vitesse d'alimentation (g) pescit autou de l'axe de la chambe de combustion, est monté dans la figue 10.d. Su ces tacés de vecteus, un écoulement complexe se poduit dans la égion des soupapes où d'abod l'écoulement est pojeté le long de la paoi du cylinde. Le jet de l'écoulement est bien plus vigoueux dans la figue 10.d dû à la fome unidiectionnelle de l'écoulement d'admission. La stuctue dans le cylinde est ensuite fotement dépendante des écoulements d admission. Elle est pincipalement caactéisée pa les deux e-ciculations axiales poduites pa le jet de l oifice, espectivement sous la tête de la soupape et ente la paoi du cylinde et la culasse. Ils ésultent des effots élevés de cisaillement tubulents ente le jet et le volume de gaz dans le cylinde. L'angle d'entée de l'écoulement d admission est appoximativement celui du siège de la soupape et le jet est pojeté conte la couonne du piston, suivant la position du piston. Le tiage monte un votex intéieu plus volumineux qui s allonge quand le piston descend, illusté dans la figue 14.a de l'annexe G, à 40 BBDC. Un tel champ de vitesses dans le cylinde est qualitativement tout à fait epésentatif du compotement éel de moteu tel que le PUMA, comme appoté pa [18], à pati de diveses compaaisons expéimentales. La figue 10.c monte la distibution des écoulements de gaz conduite pincipalement pa le mouvement du piston, avec des vitesses axiales de même échelle que la vitesse du piston dans le volume inféieu de la chambe de combustion. La déflection du jet d'entée est povoqué pa la eciculation et le votex extéieu n'est pas pésent. A SOI, les champs des écoulements calculés depuis IVC ont envoyés des distibutions tès semblables et les stuctues dans le cylinde se sont avéées peu sensibles aux pofils de vitesses d'alimentation. Pa conséquent seulement le pofil de vitesse spécifié autou de l'axe du cylinde est étudié ci-dessous. Les vitesses dans le plan axial-adial sont détaillées dans la figue 10.g. Les phénomènes pincipaux sont bien epésentés, pa compaaison avec les ésultats du modèle de éféence de la figue 10.a. La eciculation centale dans le sens des aiguilles d'une monte est epoduite avec des gandeus de vitesses semblables, le pofil de vitesses de squish et le votex de eciculation poche de la lève de la cuvette suivent la même tendance. Cependant -74-

90 le cente du pincipal votex tooïdal est situé plus haut dans la cuvette du piston pa appot au modèle équivalent en cycle femé, avec des vitesses inféieues au fond de la cuvette du piston. Ceci est dû à l absence du petit votex axial dans la figue 10.g. En complément, des champs de vitesses dépendants du temps dans le plan axial-adial sont tacés dans la figue 14.a de l'annexe G. Le coquis founit des infomations supplémentaies pendant le cycle foid du moteu pou un modèle Omega à maillage fin avec un pofil de vitesses d admission du type de (g). A 30 ATDC, la figue monte l'angle des vitesses d admission diigé pa la position du piston. Aucune eciculation au coin de la paoi ente la culasse et le cylinde n'est obsevée. Ves la fin de la couse d admission (40 BBDC), le jet pénète davantage à taves le système de votex, consistant en des votex tooïdaux et annulaies, l'inteaction aux paois continuant à se développe à pati de la figue 10.d. A pati de là, l'angle de 30 du siège de la soupape povoque une égion de eciculation attachée au coin de la culasse. Il est encoe pésent à IVC. Les effets de l'angle du siège des soupapes ont été exploés et passés en evue pa Acoumanis et Gosman dans [1] et [18] espectivement. Ils montent que le bod extene du jet ne décolle pas de la culasse, suppimant ainsi le votex dans l angle. Bien que les compaaisons doivent ête pises avec pudence, étant donné que les expéiences ont été éalisées dans des conditions tès difféentes telles qu'un moteu de echeche sans compession dans [1], et [18] a signalé que d'autes études ont mis en évidence un écoulement bistable, c.-à-d. le votex faisant en coin étant pésent ou non pendant un cycle donné. D'ailleus, les modèles à maillage lage détaillés cidessous, montent que ce phénomène de l'écoulement n'est pas epoduit avec une telle ésolution de gille. A 30 BTDC, la stuctue de l'écoulement d admission a été détuite pendant la compession et le pocessus de squish a débuté. Il se sépae au bod de la cuvette pou fome un nouveau petit votex dû aux containtes de cisaillement du squish. Poche de cette position angulaie, l'écoulement dans l'intestice devient unidimensionnel. A TDC, dû aux effets de compession, le cente du votex en otation dans le sens des aiguilles d'une monte se déplace ves le fond de la cuvette et s intensifie ; développant ainsi le votex dans l'axe de la chambe. Il convient de note que la poduction du squish se éduit avec un espace aussi étoit. Apès TDC, avec le piston s éloignant de la culasse, un mécanisme de squish invese est obsevé. Les distibutions tangentielles des vitesses à IVC montent deux types de stuctues, en fonction des pofils de vitesses aux conditions limites d'admission. La figue 10.e envoie des champs d'écoulement de gaz tès similaies, quand les pofils de vitesse tangentiels et adiaux ont étés appliqués autou de l'axe de la soupape. La distibution des écoulements de gaz dans la chambe de combustion est caactéisée pa une statification axiale: Les vitesses de swil montent une tendance pécoce ves la otation de cops solide pès du piston, et un champ d'écoulement non stuctué dans la patie supéieue du cylinde, pès de la culasse. Ce denie est affecté pa une distibution de vitesse de swil négative autou de l'axe du cylinde, montant des effets de mémoie, dus au jet de l'écoulement d admission. La stuctue de swil est conduite pa la fome de cuvette du piston ca le moment angulaie poduit pa le jet d admission n'est pas assez vigoueux et se diffuse apidement pa l'action des containtes tangentielles. Bien que des données expéimentales n ont pas été touvées dans la littéatue, dans un but de calibation, la pesciption du swil d'admission a été tès élevée afin de coesponde aux gandeus de vitesses tangentielles maximales à SOI. Comme altenative, la figue 10.f donne des détails de la stuctue de l'écoulement dans le cylinde à IVC avec les conditions aux limites d'admission pescites autou de l'axe -75-

91 de la chambe de combustion. Une stuctue d'écoulement quasiment de cops solide est touvée dans la cuvette du piston et dans les zones au dessus de la cuvette, avec une dispaité dans la zone de squish. Le pofil d'admission, pescit autou de l'axe de la chambe de combustion, génèe un niveau de swil deux fois supéieu que le pécédent dans la figue 10.e. Un moment angulaie plus impotant est tansmis dans la cuvette du piston dans la figue 10.f, pa le mouvement axial du jet d admission et la vitesse tangentielle maximale est touvée à la lève de la cuvette du piston, due à la diection descendante du piston pendant la couse d admission. Cette stuctue est menée pa la géométie du piston. Les ésultats à IVC su les deux figues eflètent les difféentes conditions d'écoulement de gaz spécifiées aux conditions limites d'admission et le faible effet de la géométie de la chambe de combustion su la distibution des écoulements dans le cylinde. Cependant à SOI l'effet des conditions limites d'admission est touvé moins influant que la géométie de la chambe de combustion, su la stuctue du champ des vitesses. Pa conséquent les vitesses de swil calibées à SOI ont epoduit les mêmes caactéistiques et ainsi, seulement les champs des écoulements de gaz coespondant au pofil de vitesses (g) aux conditions limites d'admission sont détaillés ensuite, ca ce pofil est plus appopié pou des compaaisons avec la pesciption aux conditions limites avec le maillage à faible ésolution. La figue 10.h etoune une stuctue de swil et des gandeus de vitesses tès similaies avec les ésultats du modèle en cycle femé obsevé dans la figue 10.b. Uniquement une petite difféence avec le modèle de éféence est obsevée, le long de la suface de la ehausse du piston et de l'axe du cylinde, dus à l'absence du petit votex cental. Des contous de swil additionnels sont données dans l'ensemble de figues 14.b en complément. Elles founissent des infomations appopiées dans l objectif de validation du modèle ZGF. Le long de la couse d'induction, la distibution des vitesses du gaz dans le cylinde indique une vitesse tangentielle maximale à BDC, dû au moment angulaie de l écoulement d admission entainé pa convection dans la chambe de combustion pa le mouvement axial descendant. Ensuite, la vitesse tangentielle maximale diminue en aison du cisaillement aux paois et du début de la compession, jusqu'à IVC. Jusqu'à 30 BTDC, la stuctue de swil est stable et a suvécu à la compession. Le démaage du jet de squish défome le pofil de swil, edistibuant le moment cinétique, induisant ainsi une égion de swil localement élevé au-dessus de la lève de la cuvette due au tanspot centipète du moment angulaie à cette position. A TDC, la zone de swil maximal s'est déplacée adialement ves l'intéieu et s est intensifié en aison de la plus gande pénétation du jet de squish. La quantité de mouvement angulaie est diigée ves le fond de la cuvette du piston pa la otation du votex pincipal. Un mouvement angulaie ésiduel est alos touvé à cet endoit los du début de la couse d'expansion et monté à 10 ATDC. L'affaiblissement du moment cinétique du toubillonnement de l ai dans le cylinde de IVC à TDC est obsevé dans la suite de figues. Il est attibué au fottement aux paois, qui est induit pa l'augmentation du appot de la suface au volume pendant que le piston compime le gaz ves TDC, ainsi qu à la dissipation de la tubulence. Ceci est en adéquation avec les desciptions données dans la littéatue où 30% à 50% de éduction a été appoté pa exemple pa [1] et [9], mais avec des conditions de fonctionnement de moteu tès difféentes. -76-

92 Des investigations su la généation plus élevée de swil ont été effectuées en augmentant la gandeu des vitesses d'alimentation dans le plan adial. La figue 10.i donne des détails des contous de swil à IVC avec des vitesses adiales et tangentielles pescites à 9 m/s. Une telle gandeu de vitesse est peu éaliste dans les moteus Diesel HSDI, mais les ésultats des pévisions mettent en évidence la tendance de la stuctue de swil dans le domaine de solution, à poduie une configuation de otation de cops entièement solide à IVC dans la totalité de la chambe de combustion. Compaée à la figue 10.f, la gandeu de la vitesse tangentielle est d envion 50% supéieue et la quantité de mouvement angulaie totale s'avèe ête deux fois plus élevée. La stuctue de swil dans la cuvette du piston monte des gadients de vitesses impotants à poximité du cente du swil, avec une zone plate qui s étend envion jusqu à la égion de squish au-dessus de la couonne du piston. La émanence de la stuctue de l'écoulement d admission demeue dans la égion extene, pès de la culasse. Des données expéimentales su une stuctue de swil semblable ont été appotées notamment pa Gosman dans [18] et Whitelaw et Al dans [30], utilisant un moteu de echeche modifié pou un accès optique, tounant à des vitesses de 1000 à 3000 t/mn, avec une cuvette de piston décentée de type bloc cylindique. Ils montent des gadients de vitesses élevés dans la zone centale, et une gande section plate pès de la paoi du cylinde. Les mesues ont indiqué que la distibution de swil dans le cylinde était dépendante de l accoissement de la vitesse du moteu et de la vitesse de l'écoulement d admission, fonction du temps éduit disponible de l'écoulement pou le développement ves une distibution de otation de cops solide. La figue 10.j et la figue 10.k founissent des détails de l'écoulement calculé à 10 BTDC de la compession. Le champ de vitesses tangentielles epésenté su la figue 10.k envoie une stuctue de swil tès similaie à la figue 10.h, mais des gandeus de vitesses plus élevées sont touvées dans le domaine de solution. Les vitesses axiales-adiales coespondantes calculées dans la figue 10.j etounent des vitesses de squish similaies avec la figue 10.g, mais l'inteaction complexe de squish-swil poduit une pénétation éduite du squish ves l'axe du cylinde. C'est une conséquence des containtes opposées des foces centifuges associées au swil plus élevé et du mouvement centipète du squish inhibé pa le swil. Cette inteaction poduit le votex plus puissant dans le sens des aiguilles d'une monte, centé plus pofondément dans la cuvette du piston et déplacé ves la lève de la cuvette. L'effet de cette généation de swil plus élevée poduit un petit votex additionnel pès de l'axe, pa appot à la figue 10.g et bien plus impotant compaé aux caactéistiques du modèle de éféence de la figue 10.a. Une conséquence de l'appaition de ce nouveau votex est que la diection de l écoulement pès de l'axe est maintenant ves l extéieu de la cuvette du piston, au lieu d ête ves l'intéieu avec une généation de swil inféieue. Une aute conséquence est que le votex se touvant conte la lève de la cuvette du piston est moins vigoueux. En dépit de ces changements du compotement du champ de l'écoulement axial-adial il n'y a patiquement pas de changement de gandeu de vitesse, pa appot au modèle avec généation de swil plus faible de la figue 10.g et avec le modèle de éféence de la figue 10.a. Les contous de swil indiquent que la vitesse tangentielle maximale est plus poche de la lève de la cuvette du piston compaée à la figue 10.h. Ceci met en évidence son influence su la position des votex axial et pincipal dans la cuvette du piston décite cidessus. D'ailleus la stuctue de swil le long de la ehausse du piston epoduit les mêmes phénomènes compaés aux vitesses de swil du modèle de éféence à SOI. Ceci accentue l'influence de la stuctue de otation de cops solide à IVC. -77-

93 Sensibilité de la position des conditions limites d admission: La position des conditions limites d'admission est étudiée ci-apès. Des études de sensibilité ont été éalisées pou évalue son influence su le compotement du jet d admission su les calculs dans le domaine de solution. Les figues 11.a et 11.b montent le maillage numéique avec la condition limite d'admission déplacée espectivement ves l'axe de la chambe de combustion et ves la paoi du cylinde. Le tableau 5.9 ci-dessous epoduit les caactéistiques des conditions limites d'admission pou les deux modèles. Les vitesses axiales d admission ont été ajustées avec les sufaces des conditions limites d'admission afin de pocue le même débit massique d'écoulement au domaine de solution. Position de la Nb. de Suface totale w (m/s) Distance (mm) condition limite cellules (mm ) Axe du cylinde Paoi du cylinde Tableau 5.9: Caactéistiques des conditions limites d admission. Les deux conditions limites d'admission ont été placées su le diamète extéieu de la soupape. Les figues 11.c et 11.d montent les champs des écoulements calculés à IVC pou les deux modèles décits ci-dessus. Les contous de swil dans le cas avec la position de la condition limite d'admission pès de l'axe du cylinde montent à la fois une gandeu de vitesse tangentielle et de quantité de mouvement angulaie inféieues pa appot aux figues 10.e et 10.f. La vitesse tangentielle maximale est tanspotée à l'axe de la chambe comme pévu, étant donné la position de la soupape. Le champ de l'écoulement ne pésente pas une stuctue de otation de cops solide. De l'aute côté, le modèle avec la position de l'admission ves la paoi du cylinde poduit une vitesse tangentielle maximale, qui est tanspotée ves l'extéieu de la zone de la cuvette du piston, compaée à la figue 10.f. Il epoduit le développement du jet d admission, eflétant l'inteaction du mouvement de swil avec les paois envionnantes. La distibution des vitesses de swil est poche d une stuctue de cops solide le long de l'axe du cylinde dans la zone au dessus de la cuvette et envion à mi-ayon du cylinde dans la cuvette du piston. Au delà elle dévie de cette stuctue. Cette stuctue de swil est menée pa le niveau de la vitesse tangentielle d'admission et l'inteaction ente le jet et les paois, mettant en évidence l'influence de la distance de la condition limite d'admission à la paoi du cylinde. Une telle stuctue de swil dans le cylinde epoduit avec une pécision qualitative aisonnable les mesues éalisées avec un moteu Diesel entainé, compotant un unique cylinde avec un piston à cuvette et tounant à 900 t/mn dans [4]. Des compaaisons sont investiguées ente les deux modèles à SOI. Les champs de vitesses dans le plan axial-adial sont obsevés dans la figue 11.e pou le modèle avec la position de l'admission ves l'axe de la chambe, et dans la figue 11.g pou le modèle avec l'admission ves la paoi du cylinde. -78-

94 La figue 11.f et la figue 11.h donnent les détails des contous de swil coespondants. Où le pemie modèle poduit un faible swil dû à la stuctue désoganisée à IVC, avec la vitesse tangentielle maximale décalée ves l'axe du cylinde et le swil mené pa la fome de la cuvette du piston Omega, la distibution de l'écoulement de gaz du denie epoduit les mêmes phénomènes que ceux obtenus avec le modèle Omega dans la figue 10.h La vitesse tangentielle maximale est de 85% supéieue pa appot à la figue 11.f. De plus, le swil maximum et la quantité de mouvement angulaie totale calculée dans le domaine de solution sont significativement plus élevés pa appot à ceux obsevés dans la figue 10.h, pécisant l'effet de la position, poche de la paoi du cylinde, du jet d admission à taves l'inteaction jet-paoi. L'ensemble des figues pou les modèles à maillage fin, montant la distibution de swil de l'écoulement de gaz dans le cylinde, évèle une diminution des valeus des vitesses tangentielles maximales à SOI avec une augmentation de la puissance de swil à IVC. Donc des niveaux plus élevés de swil à IVC povoquent des petes plus élevées pendant la compession jusqu'à SOI, évoluant avec une quasi linéaité de 8% à 8%. Ces valeus sont en concodance avec le compotement mesué à 000 t/mn du moteu décit dans [30]. Pa conséquent la position de l admission la plus ves l intéieu poduit des changements spectaculaies dans la stuctue de l'écoulement, avec le champ axial-adial de l'écoulement dans le cylinde désoganisé à SOI. Uniquement le votex conte la paoi de la cuvette du piston demeue pésent au-dessous de la lève de la cuvette et de faibles eciculations sont obsevées au fond de la chambe de combustion et autou de l'axe du cylinde. Les vitesses de squish s'avèent ête de gandeu similaie au modèle de éféence dans la figue 10.a, mais l'écoulement de squish se diige ves l'intéieu, en diection de l'axe du cylinde, dû à l'absence d'un votex tooïdal puissant dans le sens des aiguilles d'une monte associé à la éduction du swil détaillé ci-dessus dans la figue 11.f. La position de l admission ves l extéieu du domaine poduit la stuctue de l écoulement à SOI avec un compotement semblable au cas de la figue 10.j, puisqu il y a la pésence d'un votex puissant en otation dans le sens des aiguilles d'une monte au cente de la cuvette du piston. Le niveau de swil plus élevé fait déplace le votex ves le fond de la cuvette. La pénétation adialement centipète du phénomène de squish est limitée pa le gadient de pession contaie généé pa le mouvement otationnel plus impotant à l'induction, en compaaison avec la figue 11.e. Le votex axial est pésent, mais moins vigoueux dans ce modèle Sensibilité de la ésolution de la gille aux conditions d admission: Les simulations décites ci-dessus ont été épétées pou la géométie Bloc cylindique et des compaaisons ente les ésolutions de gille lage et fine sont étudiées ci-apès. Pou plus de simplicité, uniquement des détails pou la fome Bloc cylindique sont donnés cidessous, et des conclusions généales sont évaluées concenant les influences de la fome de la cuvette du piston. Les figues 1.c et 1.d détaillent le champ des écoulements dans le cylinde avec une gille de faible ésolution. Un modèle de 30 cellules a été implémenté, incluant des conditions limites d'admission ayant les mêmes position et suface que les modèles avec maillage fin détaillés ci-dessus. Tois cellules ont été ajoutées à la gille lage du modèle en cycle femé -79-

95 pou conseve un maillage othogonal. Le compotement de l'écoulement de gaz dans le plan axial-adial à 90 ATDC pésente un nombe limité de points citiques, où commencent et finissent les stuctues cohéentes dans le cylinde telles que les votex ou des égions de sépaation et d'attachement de l écoulement. Ce compotement est mené pa la ésolution de gille choisie pou des modèles à maillage lage. La stuctue de l'écoulement epoduit la eciculation dans le sens des aiguilles d'une monte au-dessous de la soupape d'admission montée pécédemment dans la figue 10.d. L'inteaction du jet-à la paoi n'est pas bien epésentée à cause de la modélisation avec une gille lage, induisant un cisaillement plus élevé le long du jet de l admission. Pa conséquent, la distibution de l'écoulement de gaz est davantage menée pa la vitesse du piston que pa l'inteaction ente le jet et la masse de l'écoulement. Le champ des écoulements ésolu à IVC est monté dans la figue 1.d. Les contous de swil montent une éduction d'envion 5% de la vitesse tangentielle maximale, attibuée à un accoissement du fottement aux paois, associé à de telles ésolutions de gille. L'effet de smeaing est encoe pésent, comme aucune intevention de modélisation des couches limites n'est éalisée à ce stade. Il déplace la distibution de la vitesse tangentielle à mi chemin ente la couonne du piston et la culasse, en compaaison avec la figue 10.f. Il est également décalé ves la paoi du cylinde. Ceci peut ête attibué à la tendance du développement du jet d admission, à poduie une gande section plate pès de la paoi du cylinde avec cette faible ésolution du maillage, epésentative d'une distibution de swil de cops solide, comme appoté dans [30] et discuté ci-dessus, pa exemple pou les calculs du modèle Omega à maillage fin dans la figue 10.i. Les compaaisons ente les gilles fine et lage sont analysées à SOI. Le compotement du champ des écoulements de gaz est détaillé dans les figues 1.a et 1.b pou le modèle Bloc cylindique avec maillage fin, et dans les figues 1.e et 1.f pou sa conte patie à maillage lage. Les phénomènes pincipaux du modèle Omega à maillage fin sont obsevés dans la figue 1.a. Le niveau des vitesses de squish s'avèe ête du même ode. Cependant le votex tooïdal localisé dans la cuvette du piston monte une plus faible quantité de mouvement que ceux epésentés dans la figue 10.a et la figue 10.g, et des gandeus de vitesses éduites su le fond de la cuvette. Ceci semble ête la conséquence de la géométie plate de la cuvette dans le piston simulée dans ce modèle. De plus, la eciculation dans l'axe du cylinde obsevée dans la figue 10.g n est pas pésente. Les simulations coespondantes avec maillage lage epoduisent les gandes échelles pincipales de la stuctue décite ci-dessus et le champ des écoulements s'avèe similaie à celui déjà obsevé avec les modèles en cycle femé avec gille de ésolution identique au chapite La puissance du votex tooïdal cental est plus faible en compaaison avec les ésultats avec gille fine. La vitesse de squish maximale est éduite d'envion 10%, attibuée à l'influence du fottement des paois su le compotement du jet de squish. Ensuite la pénétation du squish se diige plus pofondément ves l intéieu de la cuvette du piston à cause de la eciculation pincipale plus faible poduite pa la quantité de mouvement angulaie éduite dans le cylinde epésenté su la figue 1.f et détaillé ci-dessous. La eciculation à la lève de la cuvette n'est pas non plus epésentée avec cette gille lage, ni le votex tooïdal positionné su l axe, uniquement la vitesse du votex intéieu est epoduite le long du côté de la cuvette du piston de la chambe de combustion. Ceci était pévisible étant donné les calculs avec maillage fin coespondants et la distibution spatiale des points citiques avec une telle ésolution de gille. -80-

96 Les contous de swil dans la figue 1.b montent la distibution du swil à la même position que le modèle Omega avec maillage fin. La gandeu des vitesses est légèement plus impotante. Elle est affectée pa le votex de tumble plus faible dans la zone supéieue de la cuvette et du appot suface / volume diminué de la géométie Bloc cylindique de la cuvette du piston. Également attibuée à cette diminution, une quantité de mouvement angulaie plus élevée obsevée plus pofondément dans la cuvette, en compaaison avec celui dans la figue 10.h. Les ésultats coespondants avec gille lage dans la figue 1.f epoduisent les mêmes phénomènes de la stuctue de swil dans le cylinde de la figue 1.b. Une zone de vitesses tangentielles maximales similaie, compessée pa le mouvement du maillage, est simulée plus pofondément dans la zone de squish. Des gandeus de vitesses de swil semblables sont aussi obsevées, pa appot aux calculs avec maillage fin de la figue 10.f, en dépit de vitesses plus faibles touvées à IVC. Ce compotement est confome avec les infomations données pa la distibution de swil à IVC. Cependant, la ésolution de la quantité de mouvement angulaie est plus faible dans la cuvette du piston, dû à l'effet de smeaing le long des paois de la cuvette pécédemment elaté, de ce fait influençant l'affaiblissement du toubillonnement de l'ai jusqu'à TDC Conditions d admission avec maillage lage: Des simulations ont été entepises pou étudie l'influence de la géométie et des conditions des écoulements d admission su la stuctue dans le cylinde avec une ésolution de gille lage. Les maillages numéiques sont semblables à ceux détaillées pou les études en cycle femé. La condition limite d'admission a été ajoutée su la toisième face de la cellule ves l'intéieu de la paoi du cylinde. La figue 13.a monte les contous de swil à IVC pou la géométie Omega. Le modèle epoduit les caactéistiques similaies au modèle Bloc cylindique à faible ésolution dans la figue 1.d. Cependant, on obseve une vitesse tangentielle maximale plus élevée dans la cuvette du piston attibuée à des dispaités dépendantes de la géométie. Des compaaisons de géométie sont détaillées dans l ensemble d'infomations ciapès: La figue 13.b et la figue 13.d montent l'écoulement de votex calculé à SOI pou les géométies Omega et Bloc cylindique espectivement. La figue 13.b epoduit des vitesses maximales de squish semblables avec la figue 13.d. Le votex tooïdal dans la cuvette du piston est bien epésenté avec les deux géométies. Cependant, l intensité des vitesses axiales-adiales est jusqu'à 50% supéieue dans le cas de la géométie Omega, dans la figue 13.b, compaé à la figue 13.d. Ce compotement est seulement sensible au changement de géométie pa appot aux calculs avec gille fine de la figue 1.e, mais pas au changement de la suface des conditions limites d'admission, qui est plus gande avec les modèles à maillage lage. Les figues 13.c et 13.e montent les contous de swil pou les deux géométies de la chambe de combustion. Les vitesses de swil maximales sont d envion 10% supéieues, pa appot aux calculs avec maillage fin, espectivement dans la figue 10.h et la figue 1.b. Ce compotement est attibué à l augmentation de la suface de la condition limite d'admission et à une moinde influence du cisaillement aux paois. Cette denièe sea analysée dans la pochaine section. De plus, la vitesse maximale est envion 5% inféieue pou le modèle Omega, en compaaison de la géométie Bloc cylindique. Une aute dispaité du compotement de swil pou les modèles à faible ésolution est le taux d'affaiblissement plus élevé de la vitesse de swil ente IVC et SOI. Ceux-ci étant au moins de 40% supéieus pa -81-

97 appot aux niveaux de swil à IVC, à compae à un taux d'affaiblissement de 0% pou le modèle Omega à maillage fin avec des aangements de condition limite d'admission équivalents. Néanmoins, les phénomènes pincipaux de la stuctue de swil dans le cylinde sont bien epoduits : La figue 13.c monte un moment cinétique amoindi et situé dans une position inféieue dans la cuvette du piston pa appot à celui calculé dans la figue 13.e et dans le modèle pécédent avec maillage Bloc cylindique de la figue 1.f. Ceci est confome à l'obsevation décite plus haut dans ce chapite pou les gilles équivalentes avec des ésolutions fines. Ainsi, les simulations avec maillages lages epoduisent aisonnablement les vaiations des écoulements gazeux dans le cylinde dues aux difféences de géométies des chambes de combustion. Ceci devait avoi une influence su les conditions ultéieues pès des paois pendant le pocessus de combustion Modèle à maillage lage avec taitement des couches limites: La ésolution numéique du maillage est déjà détaillé dans la patie 9 de l'annexe E,. La condition limite d'admission a été implémentée dans le modèle. Elle inclut les mêmes spécifications que celles décites pécédemment dans le chapite. La figue 15.a monte le domaine de solution avec le maillage fin pès de la paoi pou la géométie Bloc cylindique. Il compote 61 cellules, avec une gille othogonale. Les ésultats sont décits ci-dessous et mettent en évidence le taitement des couches limites su le champ des écoulements calculés. L'épaisseu des cellules le long des paois sont définies comme vaiables pou la modélisation dans le pogamme ZGF, telles que spécifiées dans le chapite 4.6. Selon les expéiences éalisées pa Hall et Bacco [31] dans la chambe de combustion d'un moteu monocylinde avec admission diecte, en utilisant la vélocimétie pa lase-dopple, les mesues faites avec le swil pès des paois du cylinde et de la suface du piston, montent une couche limite tès mince. La majeue patie de la chute de vitesse se poduit à moins de 0,5 mm des paois. Le taitement des couches limites appliqué à ce modèle a pocué des ésultats similaies à cette distibution d'écoulement poche des paois, et est détaillé ci-dessous. Une stuctue de champ d'écoulement poche d un cops solide otationnel est obsevée dans la cuvette du piston et la zone au dessus de celle-ci et epésenté dans la figue 15.b. Toutefois le pofil de swil n'est pas identique à une stuctue de cops solide dans la zone de squish due aux effets du fottement aux paois, comme appoté pa exemple pa [4] et [18]. Le gadient de vitesse tangentiel est inféieu à celui obsevé dans les calculs de la figue 1.d, qui sont sujets au smeaing. La vitesse tangentielle maximale est décalée légèement au-dessus de la lève de la cuvette; ceci étant davantage en adéquation avec les calculs avec maillage fin et admission montés dans la figue 10.f. De plus, la vitesse maximale de swil est toujous centée plus haut dans le domaine de solution, de même que les vitesses de swil à IVC du modèle but Bloc cylindique à maillage lage dans la figue 1.d. Ce compotement de l'écoulement dans le cylinde peut ête attibué à la faible ésolution dans la zone d inteaction du jet conte les paois et dans le volume d'écoulement, poduisant moins de moment cinétique ves le piston. Le gadient de vitesse ente la zone de vitesses les plus élevées et la paoi du cylinde pésente deux déviations dans les angles du cylinde. Néanmoins, la diminution de vitesse est bien epoduite avec une couche limite tès mince comme discuté dans [31]. Les figues 15.c et 15.d détaillent le champ de vitesses calculé à SOI. Les ésultats dans le plan axial-adial montent que la stuctue de squish est jusqu'à 6% plus intense pa -8-

98 appot à la figue 1.e, mais les niveaux de vitesse des ésultats avec gille fine des figues 1.a et 10.g ne sont pas atteints. La vitesse maximale de squish calculée dans le domaine de solution est toujous de 5% inféieue. Cependant le taitement de la couche limite a amélioé sensiblement l'inteaction swil-squish dans le cylinde détaillée ci-dessous. Le moment cinétique du swil plus élevé obsevé dans la figue 1.f contôle la pénétation du squish plus faible, induisant de ce fait que le pincipal votex tooïdal soit bien epoduit avec cette ésolution de gille. La vitesse de eciculation ascendante le long de l'axe de la cuvette du piston est amélioée, avec une augmentation de pès de 40% en compaaison avec les ésultats de la figue 1.e, et est en meilleu accod avec les ésultats avec maillage fin. Une telle distibution du champ des écoulements met en évidence l'influence de la faible épaisseu des cellules le long des paois de la cuvette du piston spécifiées dans les simulations de ces modèles. Cependant, en dépit du taitement de la couche limite le long du bod de la cuvette, la vitesse axiale-adiale juste au-dessous de la lève de la cuvette, est toujous diigée dans le sens opposé pa appot aux ésultats avec le maillage fin. Cette oganisation de l écoulement est indicative du niveau de pécision des plus petites e-ciculations dans le cylinde avec une telle ésolution de gille. Les contous de vitesses tangentielles illustées dans la figue 15.d, donnent des détails de la stuctue d'écoulement généée avec la éduction de l'effet de smeaing. La zone des vitesses tangentielles les plus élevées, touchée pa l'appot d'un moment angulaie supéieu de la égion de squish, et mieux concentée pès de la lève de la cuvette. Néanmoins, comme pévu, elle s'avèe ête inféieue de 13% des ésultats calculés avec le maillage fin et du modèle Bloc cylindique à faible ésolution décits dans la figue 15.d ci-dessus. Ce compotement peut ête la conséquence de la difféence de position adiale de la vitesse tangentielle maximale à IVC ente les ésultats calculés et montés dans la figue 1.d et la figue 15.b analysés ci-dessus. Toutefois le moment cinétique dans le cylinde est accu et pocue ainsi une meilleue epésentation de l'affaiblissement du toubillonnement de l'ai pendant la couse de compession, attibuée au phénomène de fottement aux paois comme décit dans la littéatue. L'affaiblissement de 35% de la vitesse tangentielle maximale ente IVC et SOI donne une meilleue pévision du swil dans le cylinde, même s il est appoximatif Sensibilité de la gille de ésolution su la tubulence: Le compotement de la tubulence dans le cylinde est investigué ci-dessous, en utilisant la viscosité dynamique tubulente, comme paamète de mélange et ses effets su les stuctues à gande échelle du champ des écoulements. C'est un indicateu des localisations spatiales, qui sont favoables à la suvie d'un tel mouvement de gande échelle. La suite des figues 14.d de TDC de l admission à 90 de la couse de compession monte un champ de viscosité tubulente elativement unifome dans la totalité de la chambe de combustion, et une viscosité plus faible pès des paois. Cela illuste l'influence plus impotante de la dissipation de la tubulence su la poduction de celle ci, los de l'inteaction du jet d admission dans le volume de l'écoulement et son impact conte la paoi. Ceci est signalé pa [33] en utilisant des modèles CFD 3D détaillés et des compaaisons avec des données expéimentales su une culasse et une tubulue d admission de Catepilla modifiées, avec un abe à cames tounant à 300 t/mn. -83-

99 Apès 30 BTDC, une plus gande viscosité est calculée au cente de la cuvette du piston. Ceci suggèe une pise en compte de la généation de tubulence autou du pincipal votex tooïdal. Ainsi, la généation de tubulence le long de la condition limite aux paois, pès de la lève de la cuvette, obsevée dans les modèles à maillage fin en cycle femé sans spécification de tubulence initiale, est minimisée pa appot à la poduction de tubulence simulée ci-dessus. Les figues 17.d et 17.b détaillent la ésolution spatiale de la viscosité tubulente à IVC pou espectivement le modèle Omega à maillage lage et le modèle Bloc cylindique avec un maillage incluant un taitement des conditions limites aux paois. La gille à faible ésolution du modèle Omega monte l'effet de smeaing à IVC. La valeu maximale de la viscosité tubulente est centée dans le bas de la cuvette du piston et sa valeu est éduite de plus de 60% compaé aux ésultats avec le maillage fin de la figue 14.d. Au contaie le taitement des couches limites aux paois pou le modèle Bloc cylindique pocue une solution intemédiaie avec la viscosité tubulente maximale située dans une meilleue position, sensiblement plus haut ves la culasse. Une éduction de l'effet de smeaing et de la valeu maximale de la viscosité tubulente de 10% peut ête notée, mais elle est cependant toujous inféieue aux calculs avec gille fine. Les champs de viscosité tubulente à SOI sont dépeints dans la figue 17.f pou la géométie Omega et dans la figue 15.f pou la géométie Bloc cylindique. La figue 17.f epoduit la viscosité tubulente maximale dans la même position que les calculs avec gille fine, au cente de la cuvette du piston, autou du votex tounant dans le sens des aiguilles d'une monte. Cependant sa valeu est toujous lagement inféieue à celle calculée pou le modèle avec la gille à ésolution élevée. Le champ de viscosité tubulente dans la figue 15.f pou le modèle Bloc cylindique est 50% plus élevé, en compaaison avec les ésultats du maillage fin de la figue 14.d, confimant la dégadation des pefomances du modèle de K-ε à ces faibles ésolutions. La position de la viscosité maximale est décalée ves l'axe du cylinde. Ces ésultats ont déjà étés obsevés avec les modèles en cycle femé, mettant en évidence la sensibilité de la géométie du modèle su les calculs de tubulence. La figue 15.f founit également des infomations su l'amplitude de la vaiation de la viscosité tubulente dans le domaine de solution, malgé le taitement de la couche limite. Pa conséquent, comme déjà mentionné au chapite , aucune expession simple de la tubulence ne peut ête mise en application dans le modèle ZGF. La desciption de la tubulence pou caactéise et mesue le mélange, basé su le mélange des petites échelles et comment il affecte le tanspot de la masse, de la quantité de mouvement, de l énegie mécanique et la chaleu, est détaillée ci-dessous pou les modèles à maillage fin et lage. La suite d'infomations de la figue 14.c dans l'annexe G détaille les phénomènes pécédents. L'énegie cinétique tubulente de l écoulement d admission et les votex en otation sont poduits pa les foces de cisaillement ente le jet et le volume d ai de l'écoulement pendant la couse d admission. Apès IVC, l'énegie cinétique tubulente est poduite pa le jet de squish se sépaant au bod de la cuvette et poduisant une intensité de tubulence plus élevée, associée à un cisaillement élevé. L'énegie cinétique tubulente est alos tanspotée dans la cuvette du piston pa le mouvement du pincipal votex tooïdal jusqu'à TDC. -84-

100 Le champ de la tubulence pès de TDC monte des inhomogénéités locales d'énegie cinétique. Un maximum demeue autou du fot gadient de swil ves l'intéieu de la valeu de swil maximale. Ceci est dû à la limitation de la pénétation du jet de squish, poduisant une zone localisée avec un cisaillement élevé. Ce compotement des petites échelles des écoulements est semblable à ceux étudiés ente autes pa [4], [18] dans diveses conditions de fonctionnement de moteus. Il est à note que les niveaux de tubulence dans le cylinde sont touvés significativement plus élevés dans ces calculs en compaaison avec les mesues et les calculs numéiques effectués pa Kondoh [33]. Un moteu de echeche mono cylinde a été utilisé, tounant à 900 t/mn et incluant une chambe de combustion de type Bloc cylindique. Les explications possibles de cette déviation peuvent ête la difféence de l espace ente le piston et la culasse à TDC (3,6 millimètes conte 0,74 millimètes pou le moteu PUMA) poduisant un écoulement de squish plus élevé, et la difféence de vitesse de otation du moteu. Acoumanis [14] et d'autes [18] ont pécisé que les niveaux moyens d intensité de tubulence dans le cylinde évoluent linéaiement avec la vitesse et atteignent des valeus d'envion 0,6 fois la vitesse moyenne du piston au-dessus de 000 t/mn. Cependant les ésultats détaillés dans ces aticles, elataient un pic de la distibution de l'énegie cinétique tubulente plus poche du bod supéieu de la cuvette du piston. Ils sont la conséquence de la suface fotement cisaillée dû au phénomène de squish su la fin de la compession ves TDC. Autou de la position TDC, le pofil de l'énegie cinétique tubulente tend à ête quasiment homogène, avec un gadient impotant à la paoi du cylinde. Des investigations supplémentaies su des modèles CFD, avec des niveaux de swil à IVC plus élevés, ont envoyées une énegie cinétique tubulente additionnelle, tels que les ésultats epésentés su la figue 10.i ou la figue 11.d en aison des foces centifuges augmentant la tubulence. Le deuxième ensemble détaille dans la figue 14.e la dissipation de la tubulence en fonction du temps pou complément. Il monte une dissipation plus élevée autou du jet d admission et du système de votex poduit dans le cylinde, où des zones de stagnation sont pésentes pendant la couse d admission. Quand la compession se poduit, une dissipation plus élevée est également touvée dans les égions de sépaation et d'attachement, ente la stuctue de gande échelle de squish et les eciculations dans la cuvette du piston. Ves SOI, les inhomogénéités spatiales sont encoe pésentes pou ce paamète caactéisant le mélange. Les niveaux de tubulence à IVC sont expliqués dans la figue 17.c pou le modèle Omega à maillage lage, et dans la figue 17.a pou la géométie Bloc cylindique coespondante avec un maillage plus fin poche des paois. L'effet de smeaing est visible dans la figue 17.c : Une énegie cinétique tubulente plus fote se poduit su l'axe de la chambe de combustion, tandis que les ésultats avec taitement de la couche limite aux paois epésentés su la figue 17.a epoduisent bien mieux le champ de l'énegie cinétique tubulente dans la totalité du domaine de solution. En effet, la distibution de la tubulence dans le cylinde envoie les mêmes caactéistiques que les calculs epésentés pou le modèle Omega à maillage fin dans la figue 14.c à IVC. La position de la zone d'énegie cinétique tubulente maximale est au-dessous de la soupape d'admission, de ce fait penant en compte la généation de tubulence ente le jet d'admission et le volume de l écoulement. Ceci accentue l'influence de la éduction du smeaing dans les zones adjacentes aux paois. La valeu de cête est également mieux ésolue dans la figue 17.a avec une éduction d envion 18%, compaée au 60% du modèle Omega à maillage lage de la figue 17.c. Ce denie est un modèle ayant un mauvais compotement pou la pévision de tubulence. -85-

101 Les calculs à SOI epoduisent la même tendance déjà notée à IVC. Une énegie cinétique tubulente tès faible est illustée dans la figue 17.e, évélant une diminution de tubulence de pesque 80%, pa appot au modèle à maillage fin de la figue 14.c, tandis que la valeu de cête est du même ode de gandeu dans la figue 15.e avec intevention de modélisation des conditions limites aux paois. La généation de tubulence dans la figue 17.e est décalée ves l'axe du cylinde. Elle est menée pa l'effet de smeaing, influencé pa le piston et les paois de la culasse. Pa conséquent la zone de tubulence maximale est située plus haut dans la cuvette du piston qu'elle ne l est avec le modèle Omega à maillage fin, ésultant du tanspot de l'énegie cinétique tubulente pa le votex pincipal. Les figues 15.e et 14.c donnent une meilleue epoduction du champ de l'énegie cinétique tubulente à SOI. La gille à faible ésolution monte des inhomogénéités spatiales. La stuctue de petite échelle est centée dans la cuvette du piston, avec cependant une tubulence élevée ves l'axe du cylinde, également entainée pa le mouvement du votex. Cette distibution est pilotée pa les effets de la géométie et pa la viscosité tubulente élevée calculée autou de l'axe du cylinde à cette position angulaie. Les ésultats des simulations sont mieux epoduits avec ce modèle, pévoyant des niveaux de tubulence plus élevés, dus à des containtes de cisaillement plus impotantes ves l'intéieu de la zone de pénétation de l'écoulement de squish. Des investigations supplémentaies su les niveaux de tubulence ont indiqué que les ésultats des modèles à maillage fin et lage sont peu sensibles aux conditions d admission. Diveses échelles de longueu et d'intensité de tubulence ont été appliquées aux conditions limites d'admission pou les géométies de chambes de combustion Omega et Bloc cylindique. Elles ont epoduit les mêmes phénomènes pendant les calculs jusqu'à TDC. Ceci est indicatif de l'insensibilité elative des conditions de tubulence à l admission su les niveaux de tubulence à TDC, également décite pa Acoumanis [1] et autes [18]. Ils montent que pendant la couse d admission, il y a tès peu de tanspot de tubulence du jet dans le este du cylinde dû à la petite échelle de temps de la dissipation. Ainsi, la tubulence dans la zone du jet d admission décline apidement ; ceci peut ête obsevé dans la figue 14.e où la dissipation de la tubulence est tès locale juste au-dessous de la condition limite d'admission et dans la figue 14.d où la viscosité tubulente est maintenue à un bas niveau dans la totalité du domaine de solution Pévisions de tansfet de chaleu du gaz aux paois: Les pévisions de tansfet de chaleu du gaz aux paois sont investiguées ci-apès en complément. Les coefficients de tansfet de chaleu et les tempéatues des paois sont discutés comme seaient disponibles en tant qu'états de conditions limites themiques dans des pogammes de simulation de moteu. Les figues 14.g et 14.h donnent des infomations généales su espectivement les coefficients de tansfet de chaleu et la tempéatue aux paois. La figue 14.g monte la vaiation spatiale des coefficients de tansfet de chaleu. On obseve une amplitude élevée le long du cycle du moteu avec une vaiation spatiale impotante à SOI. Ves TDC, les coefficients de tansfet de chaleu montent des tendances semblables aux mesues éalisées su un moteu diesel mono cylinde à injection diecte de,3 lites de cylindée, fonctionnant à des vitesses de 1000 à 100 t/mn et avec diveses chages [34]. En se concentant su les coefficients de tansfet de chaleu de la culasse, un maximum est -86-

102 touvé ves la zone d'inteaction swil-squish, les valeus intemédiaies au péimète de la culasse et des petits coefficients de tansfet de chaleu au cylinde de la chambe de combustion. [34] pécise que les valeus les plus élevées sont mesuées à 30 ATDC de l admission, dû au jet fotement tubulent et au squish pès de TDC, étant des tubulences poduites pa compession. Cependant des valeus difféentes de coefficients de tansfet de chaleu sont calculées, pobablement en aison des vaiations dans les conditions de fonctionnement du moteu et des conditions aux limites du modèle CFD. La figue 14.h donne les tempéatues des paois en fonction du temps su la totalité du cycle foid du moteu. Les conditions sont spatialement plus homogènes pendant la couse de compession, mais les vaiations en fonction du temps se sont avéées impotantes. Les tempéatues maximales aux paois à TDC (776 C) sont epésentatives de ce qui peut ête touvé dans la littéatue, comme [35] pou des conditions de fonctionnement motoisées. Ces ésultats sont indicatifs du calibage aisonnablement pécis des conditions initiales spécifiques du modèle au début des calculs, en dépit de la simplification de condition adiabatique appliquée aux conditions limites aux paois. L'ensemble des figues founit des infomations spatiales appopiées dans le cylinde pou l'évaluation des taux de tansfet de chaleu tout le long du cycle moteu. Ceux-ci sont dépeints pa Moel [10] ente autes, avec un accoissement le long de la paoi du cylinde dû à l augmentation de la suface disponible et à la vitesse de fottement; et une valeu de cête à TDC de la couse de compession généée pa la compession du piston. La figue 16.c epoduit les pévisions des vaiations spatiales du coefficient de tansfet de chaleu à IVC. On obseve une vaiation d envion 100% à la paoi de la culasse. Les calculs avec gille lage, utilisant un maillage fin poche de la paoi, sont du même ode que le modèle avec gille fine de la figue 14.g. La figue 16.d envoie une distibution de la tempéatue aux paois tès similaie à la figue 14.h. Une tempéatue inféieue est calculée dans la cuvette du piston et dans la patie supéieue du cylinde, mais la tempéatue à la paoi de l angle de la culasse est au-dessus des pévisions. Les ésultats calculés à SOI sont détaillés ci-dessous. La figue 16.e poduit une tendance similaie pou les coefficients de tansfet de chaleu, en compaaison des pévisions avec maillage fin de la figue 16.a. Les coefficients de tansfet de chaleu dans le cylinde sont affectés pa une amplitude similaie dans le domaine de solution mais montent une zone plus élevée ente la lève de la cuvette du piston et la culasse. Les tempéatues des paois détaillées dans la figue 16.f pou le modèle à maillage lage sont touvées semblables à celles epésentées su la figue 16.b pou les calculs de la géométie Omega avec gille fine. Leu gandeu à SOI s avèe aisonnablement pécise, pa appot au fonctionnement éel d un moteu. La dispaité pa appot aux calculs avec maillage fin peut ête attibuée à l'amélioation du maillage pès des paois. Comme les pocessus de tansfet de chaleu sont d'oigine moléculaie, une image pécise et détaillée des taux de tansfet de chaleu exige l'utilisation d'un modèle de tubulence à faible nombe de Reynolds, pou modélise ce qui se poduit dans la couche limite. Pa conséquent l'utilisation de la loi logaithmique aux paois, afin d'évite un affinement excessif du maillage de la couche limite, a comme conséquence des coefficients de tansfet de chaleu et des tempéatues aux paois plus élevés. -87-

103 6. Discussion: Les infomations founies pa les modèles en cycle femé et ceux avec admission concenant le compotement des écoulements dans le cylinde vont ête evues maintenant. Les phénomènes pincipaux touvés dans les simulations CFD sont analysés en fonction des dispaités dues aux vaiations de géométie et de discétisation du maillage Champs des vitesses: Niveaux de vitesses: Uniquement les stuctues de gande échelle sont ésolues avec les modèles à faible ésolution, à savoi la stuctue unidimensionnelle de squish, le phénomène de swil en otation autou de l'axe du cylinde et le votex de tumble de gande échelle. Des tendances qualitatives peuvent ête soulignées su les vaiations du champ des écoulements dus à la ésolution du maillage. Le niveau de vitesse à SOI vaie en fonction du type de stuctue de gande échelle investigué. Des dispaités allant de 0% pou les modèles à maillage fin avec les difféentes géométies de chambe de combustion, allant jusqu'à 0% pou les modèles à maillage lage, avec les difféences de géométie n'étant pas tès influentes. Ves TDC, les vaiations des niveaux de vitesses ont augmentées quasi linéaiement pa appot aux niveaux de vitesses touvés à IVC. On obseve une augmentation de l amplitude des dispaités jusqu'à 50%, mettant en évidence leu impotance su la tansfomation du champ des écoulements de pé-injection pa l'injection du cabuant dans le cylinde. Cette nouvelle stuctue d'écoulement peut affecte les niveaux de tubulence pa l'inteaction avec le spay et son impact su les paois du piston Squish: Il est pincipalement lié à la géométie du piston, à l espace ente la couonne du piston et la culasse associé au appot de la suface au volume de la chambe de combustion, et à l'impotance du fottement aux paois et de son taitement numéique. Les ésultats montent l'impotance paticulièe d'une epésentation pécise du pocessus de squish, en aison de l'effet limité que la conception du système d'admission a su le champ des écoulements au moment de la combustion. Cette stuctue d'écoulement stictement unidimensionnelle dans le cylinde à la position TDC associée au taitement du fottement aux paois poduit une éduction conséquente des dispaités de vitesses de squish ente les maillages lages et fins, avec 50% d amélioation. Les investigations su le appot suface/volume mettent en évidence l'impotance de la position du diamète de la lève de la cuvette pou epoduie l'effet de squish avec les géométies simplifiées. La position d'entée de la cuvette est donc d'une impotance -88-

104 pimodiale ca elle détemine ultéieuement le facteu d'amplification du phénomène de swil de l'induction, puisque la consevation du moment cinétique induit une augmentation de la vitesse angulaie popotionnelle au caé du appot du diamète du cylinde à celui de la cuvette, comme appoté pa Acoumanis [1]. Enfin concenant l'analyse du phénomène de squish, la compaaison ente les modèles ne monte aucune influence de la géométie de la cuvette du piston Swil: Les niveaux de vitesses de swil sont davantage sensibles à la géométie de la cuvette du piston que les calculs de la stuctue de squish. La géométie Bloc cylindique associée aux calculs avec gille fine tend à poduie un niveau de swil légèement plus élevé, mais le phénomène est invesé quand on considèe le modèle Bloc cylindique avec maillage lage utilisant le taitement des conditions limites aux paois. C'est une conséquence du développement dans le cylinde d'une fome de stuctue de otation de cops solide généée pa les inteactions ente le jet d admission et le volume dans le cylinde et la déviation du jet su les paois, associé à la gille de faible ésolution. Le niveau de swil à SOI s'est avéé sensible au pofil de swil à IVC. Puisque ce type de mouvement a tendance à conseve son énegie pace qu'il n'y a aucun cisaillement intene, il contibue peu à la généation de tubulence, excepté pès des paois, ce qui indique qu un niveau optimum de swil deva ête poduit pou une combustion du cabuant pefomante et les niveaux de fumée associés. Pa conséquent l'écoulement à la condition limite d'admission doit ête pescit avec attention et ses paamètes doivent ête évalués de manièe détaillée. L'appoche de simulation des soupapes d'admission pa le biais d'un système idéalisé, utilisant une cellule sélectionnée à la fontièe du domaine de solution axisymétique, est apte à poduie une cetaine fome de otation de cops solide à IVC. Ce champ d'écoulement deva ête calibé plus pécisément pa compaaison avec des données expéimentales pou impose des tansitions pogessives exigées ves un unique votex de swil se popageant depuis la face du piston ves le haut, comme appoté pa [18] de dives tavaux de echeche. Des vaiations ente les modèles sont dues à des inteactions complexes ente les écoulements de squish-swil et le champ d'écoulement dans le cylinde. Ces phénomènes doivent ête consevés sous contôle pou identifie les causes d un mélange inachevé dans la chambe de combustion los de l ignition du cabuant Stuctue du votex de tumble: Pami les stuctues les plus impotantes dans le cylinde affectées pa la géométie de la chambe de combustion sont la foce du pincipal votex tooïdal dans la cuvette du piston et les niveaux de vitesses le long des paois. Ceci a une conséquence diecte su les taux de tansfets de chaleu pa convection à taves les paois apès SOI et su la déviation du spay d'injection de cabuant. Elle met en évidence l'impotance de la géométie du maillage pou obteni des infomations pécises telles que les conditions limites du gaz aux paois Stuctues d échelles inféieues: Le votex axial et le votex poche de la lève de la cuvette ne sont pas ésolus avec les maillages lages. Raffine davantage le domaine de solution dans les zones nécessaies sans augmente le coût numéique n'est pas envisageable pace que leu ésolution exigeait des cellules avec une gille tès fine. De tels détails de la stuctue de votex ne founiaient pas davantage de pécision concenant les coefficients de tansfet de chaleu dans ces zones. -89-

105 6.. Stuctue de la tubulence: Niveaux de tubulence: Les niveaux de tubulence sont mal epoduits avec le maillage à faible ésolution. Comme déjà appoté dans les calculs des modèles en cycle femé au chapite 4.5.5, ceci est attendu pace que la tubulence s appuie su une ésolution pécise du mouvement moyen de l'écoulement, puisque la généation de tubulence est popotionnelle au caé des gadients de la vitesse moyenne. Dans le cas d'écoulement moyen puissant, ce qui est le cas pou de telles fomes de chambe avec une cuvette dans le piston en pésence de swil significatif à l'admission, la conséquence su la modélisation de la combustion peut ête impotante. Le taitement des conditions limites aux paois amélioe la solution de l'énegie de la tubulence en aison de la meilleue ésolution des gadients les plus élevés pès des paois, dû aux couches limites minces à ces endoits. Cependant la viscosité tubulente est tès éloignée des ésultats avec maillage fin, y compis avec le maillage affiné pès des paois. A l'évidence, on constate qu'avec les maillages lages, les calculs des niveaux de tubulence ont toujous étés touvés sous poductif. Finalement, le champ des écoulements dans le cylinde des moteus Diesel est sujet à des vaiations cycliques dues aux phénomènes tels que la non épétitivité de l'écoulement d alimentation pendant l admission ou la pécession du swil. Leu influence doit ête évaluée. Ces vaiations de vitesse ente difféents cycles, sont incluses comme des fluctuations de la tubulence, pace que la définition de la moyenne d'ensemble de la tubulence ne peut pas founi des infomations au sujet de cycles sépaés du mouvement moyen des écoulements. Ces vaiations demandeont une attention paticulièe losque des compaaisons seont effectuées avec des mesues ca les vaiations de cycle à cycle dans les moteus ne sont pas pédites puisque le modèle de tubulence K-ε epésente toutes les féquences Modèle de tubulence: La combustion et ensuite les émissions dans les moteus à combustion intene, sont limitées pa le mélange de la tubulence. Pa conséquent il est essentiel que la stuctue de la tubulence soit coectement ésolue. Le modèle de tubulence K-ε n'est pas pécis avec des écoulements si complexes. Ceci est attendu étant donné l analyse discutée pécédemment au chapite 3. Les autes modèles de tubulence disponibles dans les codes CFD tel que l implémentation d un simple paamète de viscosité constante µt ne sont pas appopiés pou ce type d'écoulement dans le cylinde, pace qu'une viscosité atificielle ou numéique non physique ne peut pas pévoi la stuctue complexe tidimensionnelle de la tubulence. Des modèles de tubulence tel que le modèle linéaie (Re Nomalisation Goup) RNG K-ε ou un modèle à une équation k-l seont également tès impécis, comme appoté ente autes pa El Tahy [], paticulièement avec des maillages à faible ésolution. Pa conséquent le modèle de tubulence K-ε a été estimé comme le meilleu compomis pa appot à l hypothèse de simplification établie pou le pogamme de simulation ZGF. Dans ce pojet, le modèle de tubulence K-ε standad a été utilisé, mais des investigations ont été faites pa d'autes avec des vaiantes de ce modèle, pa exemple [33] pou la vaiante RNG du K-ε, sans diffée significativement. De plus, les simulations suggèent que les phénomènes pincipaux de la stuctue de l'écoulement ne sont pas affectés pa la modélisation de la tubulence. Il est pévisible que, des eeus povenant d'autes -90-

106 souces telles que les conditions d'admission se éduisant, la pécision globale des simulations s'amélioe jusqu à des niveaux acceptables Analyse numéique: Maillage du domaine de solution: L'appoche a été d'utilise une gille de coodonnées s adaptant au volume, dont les sufaces peuvent se défome pou s adapte à la fome de la chambe de combustion. Pou la gille lage du modèle Omega, un maillage «topologiquement ectangulaie», c.-à-d. chaque point étant elié au même nombe de voisins, n a pas été utilisé pace qu il limite le degé auquel la gille peut ête optimisée. Cette condition, bien que n'ayant pas été obsevée avec ce modèle, évite des coûts supplémentaies de calculs, comme testé pa Gosman dans [18] Fome du domaine de solution: En taitant les fomes diveses et souvent complexes des chambes de moteus Diesel à injection diecte, conçues autant pou des considéations stuctuales et themiques que celles aéodynamiques, le domaine de solution devait coesponde aussi pès que possible de la géométie éelle de la chambe de combustion du moteu, afin d'identifie et pévoi le champ des écoulements éels dans le cylinde, paticulièement pès des paois, où les vitesses de gaz sont pilotées pa la fome de la cuvette du piston, tel que déjà exposé dans l'analyse de la géométie le long de la ehausse de la cuvette pou le modèle Omega. Une topologie cuviligne du maillage de la géométie de la chambe de combustion seait une amélioation supplémentaie pou le modèle ZGF, et sea une option pou une solution pécise de modélisation des géométies complexes des conceptions actuelles des moteus de poduction. Des simulations supplémentaies ont monté que des fomes altenatives pou poduie des sections de la lève de la cuvette de fome Bloc cylindique n'ont pas appoté d'amélioation supplémentaie avec une ésolution de maillage similaie Pesciption des conditions limites d admission: La position des cellules associées aux conditions limites d'admission pend une gande impotance. Elle a été évaluée los des simulations avec écoulements d admission. Il a été monté que positionne la cellule extéieue de la condition limite d'admission coïncidente avec la péiphéie de la soupape d'admission est physiquement plus éaliste, au lieu de place le cente des cellules de d'admission à la position de l'axe des soupapes dans la chambe de combustion. A une telle distance à la paoi du cylinde, le jet d admission modélisé agit de manièe analogue à un écoulement de pot diect dans les moteus HSDI. Le pofil d'admission demandeait davantage d'adéquation avec des coubes d ouvetue éelles des écoulements d admission poduites pa la cinématique des soupapes et abes à cames. Ceci est impotant afin d appote des mesues pou des compaaisons avec les données CFD. Toutefois les pofils d'admission idéalisés avec ouvetue constante fixe utilisés comme conditions aux limites dans les tavaux CFD ont poduits des ésultats qualitativement coects en dépit de leu epésentation impécise de l'écoulement iégulie aux pots d admission los du début et de la fin de l'induction. Les points impotants sont la capacité de la soupape d'admission modélisée à poduie à IVC des niveaux de tubulence généés pa l induction, et une stuctue de swil qui s appoche d'une otation de cops solide au cente et d'un affaiblissement aux paois du cylinde. Le défaut concenant la position du -91-

107 niveau maximal de swil calculé avec les gilles à faible ésolution devait ête coigé, si c'est un ésultat de la définition du pofil d'admission, afin d obteni les niveaux de swil les plus élevés à poximité du piston, comme obsevé avec les ésultats avec gille fine et décits pa [18]. Finalement, le swil généé pendant l'induction deva ête équilibé avec l'efficacité volumétique de la chambe de combustion pou soti le taux de swil appopié dans le cylinde, paticulièement à ces vitesses élevées du moteu Couche limite et smeaing: La loi logaithmique aux paois pocue une méthode convenable pou le taitement du smeaing aux conditions limites aux paois à un faible coût numéique. Elle pemet à la majeue patie de la chute de la vitesse aux paois de se poduie su une petite distance des paois de la chambe de combustion. Les couches limites peuvent ête définies comme indiqué au chapite 4 et appochées pa Moel et Keiba dans [10]. Diveses investigations expéimentales telles que celles de Kamimoto et Al [5] ont touvé des couches limites d'épaisseu similaie. Elles sont liées aux dimensions géométiques de la chambe de combustion, même si elles ne peuvent pas ête facilement calculées dans ce contexte de gille à faible ésolution. Cependant, de telles conditions de couches limites poduiaient des ésultats su-pédictifs pou les taux de tansfet de chaleu et seaient peu susceptibles de se poduie dans un moteu HSDI. Ils seaient élevés pace que ce sont des taux de tansfet de chaleu tubulents. C'est le ésultat des valeus Y+ étant supéieues à 11,63, en appliquant les conditions aux limites et sont donc dans les zones où la viscosité laminaie est négligeable Conditions initiales Paois adiabatiques Tansfet de chaleu: La statégie employée pou les modèles CFD avec admission de commence les calculs à TDC de l'induction en utilisant des conditions initiales supposées stagnantes est coecte pou poduie des stuctues qualitatives dans le cylinde à IVC quand un écoulement d'admission spécifié est appliqué au domaine de solution. Les ésultats démontent la capacité de modélise le compotement du swil et le pincipal votex tooïdal dans la cuvette du piston avec la gille à faible ésolution. Pa conséquent ils founissent une altenative à la patique utilisée généalement dans la plupat des études D, telles que celles appotées pa Gosman dans [18] ou Moel et Keiba dans [10], où les simulations sont débutées à IVC avec des conditions imposées consistant en un simple champ de vitesses moyennes avec une distibution axiale et de swil unidimensionnelle, une vitesse de tubulence et une échelle de longueu homogènes. Cette patique, investiguée avec les modèles en cycle femé dans la pemièe patie du pojet et appoté au chapite 5, pévaut pace que les aangements d'admission de tous les moteus Diesel poduisent des champs d'écoulement tidimensionnels avant IVC Taitements numéiques: Les exigences de temps de calculs sont une pat impotante de l'évaluation de l'appoche de simplification adoptée pou le développement du pogamme de simulation ZGF. La sensibilité numéique en fonction de la gille de ésolution a été éalisée et les ésultats sont détaillés dans cette section. -9-

108 Les simulations CFD ont été exécutées su station de tavail Sun utilisant le système d'exploitation Unix. Ce sont des machines 64 bits à pocessus scalaie appopiées pou l'usage du code CFD Sta-CD. Une synthèse de leus caactéistiques est détaillée dans le tableau 6.1 ci-dessous. Odinateu Vitesse du pocesseu (MHz) RAM (Mb) Sun Ulta Sun Ulta Tableau 6.1 : Caactéistiques des odinateus. Les citèes numéiques peuvent ête divisés en tois composants pincipaux : Temps du pocesseu (CPU:Cental Pocessing Unit - Unité centale de taitement), besoins de stockage et conditions d'espace disque. Le plus petinent pou l'étude étant le temps du pocesseu. L'espace disque pou des simulations typiques est affecté pa les données à stocke. Le nombe d'étapes de temps à une influence diecte su les besoins en espace disque. Pou éduie la taille du fichie de ésultats, des données ont été stockées à chaque position angulaie pou tous les modèles. L'espace pis pa les fichies pou des calculs typiques de dives modèles a atteint jusqu'à 500 Mo. de mémoie pou les maillages fins. Les compaaisons ont un gand intéêt afin d'évalue la valeu de la sensibilité des conditions de duée de calcul des modèles similaies au pogamme de simulation ZGF avec des modèles plus détaillés. Les ésultats des temps d'exécution typiques sont écapitulés dans le tableau 6. ci-dessous. Géométie Omega Géometie Bloc Rectangulaie Maillage Maillage Maillage lage Maillage lage Maillage lage fin 7 cellules 61 cellules fin Modèles en cycle femé Sun Ulta1 45s 1h31 37s 1h7 Sun Ulta60 45mn 4mn Modèles avec écoulements d'admission Sun Ulta1 1h47 44s 1mn50s Sun Ulta60 6s 54mn 18s 51s 50mn Duée de calcul 3 temps Station de tavail Station de tavail Tableau 6. : Duées de taitement du pocesseu. Pou compaaisons ente les modèles à maillages lages et fins, une combinaison de facteus est impliquée dans le temps du pocesseu. Le facteu le plus impotant est le nombe de cellules dans le maillage. Le gain est évident pou les gilles à faibles ésolutions étant -93-

109 envion 60 fois plus apide que les modèles à maillage fin ayant les autes caactéistiques similaies. Le nombe d'étapes de temps a également une influence à un degé moinde. Le contôle de suppession de couches de cellules exige peu de temps d'unité centale. Cependant, losqu une couche suivante est suppimée du domaine de solution, le temps du pocesseu diminue pace que le nombe de cellules devient inféieu et cette pocédue de dépose de couches de cellules éduit la défomation du maillage. Il est également indiqué dans le tableau 6. que le taux de défomation du maillage, elativement plus élevé dans la cuvette du piston des modèles avec géométie Omega peut avoi une influence, avec ces configuations su les conditions de duée du calcul (plus de 40% en fonction des caactéistiques du matéiel). Finalement l ajout de l admission dans les modèles en cycle femé, en ajoutant le sous-modèle au calcul numéique, s'avèe augmente le temps de taitement de moins de 0% pou les deux ésolutions de maillage. -94-

110 Conclusion: Ce mémoie a exposé les études de modélisation en dynamique numéique des fluides utilisant une epésentation axisymétique pou la définition du domaine de solution. Ce tavail s inscit dans la démache de poduie les infomations nécessaies pou la validation du développement de pogamme de simulation multi zone pou évalue les écoulements dans les chambes de combustion des moteus Diesel HSDI. Une pemièe étape à pemis d assimile la constuction des modèles et des techniques popes à la CFD appliquée aux chambes de combustion de moteu et au logiciel utilisé, telles que les pocédés de mobilité et de changement de ésolution de maillage, le contôle pou atteinde une convegence de la solution, ou l application et la modélisation appopiée des écoulement d admission. Les Simulations avec les modèles en cycle femé ont identifié les pincipaux facteus pésents los de la compession. En paticulie la compéhension de cetains de ces aspects a été appofondie, comme les petes d'énegie dues au cisaillement su les paois et la dissipation intene, la distosion des vitesses moyennes et leu fluctuations tubulentes losque l écoulement est compessé, et le éaangement ainsi que la égénéation de ces mouvements pa l'action du squish. Cetaines divegences encontées su les gilles à faible ésolution comme l effet de lissage des gadients de vitesses ont étés coigés pa le taitement de modélisation de la couche limite avec des fonction de paois de loi logaithmique pou un faible coût numéique. L ajout des écoulements d admission aux modèles pécédents, en incluant des pots idéalisés a contibué à valide la cohéence des ésultats, que les écoulements de swil généés pa l admission sont en adéquation avec les champs touvés à SOI pou les faibles ésolutions de maillage, pa appot à l hypothèse de swil initial des modèles en cycle femé. Ils ont pemis de valide que les modèles ont un compotement adapté tout le long du cycle moteu pou la généation de swil, à pati du début de l admission de l ai dans le cylinde, et de compende entièement comment les écoulements dans la chambe de combustion évoluent. Un intéêt paticulie a été la capacité des modèles généés à agi comme un outil de conception. Ils sont d une utilisation suffisamment flexible pa l'emploi de pocédues et sous pogammes, et adaptés pou de futues évolutions telles que les changements de vitesse du moteu, des pofils d écoulements d admission évolutifs, des caactéistiques des paamètes initiaux du gaz et des conditions aux limites du domaine de calcul, ainsi que des modifications du maillage pou s adapte aux géométies à étudie. Une ésolution de maillage appopiée à été définie, pemettant d ête implantée en utilisant des essouces de calcul limitées dans un pogamme de simulation des écoulements d une HSDI tel que le pogamme ZGF. La simplification de géométie utilisant une gille othogonale pemet l intégation d une pemièe généation du code ZGF, avec des ésultats ayant un compomis éaliste. Une amélioation pa l utilisation de maillage cuviligne, plus complexe à intége, se fea aussi à un faible coût numéique. -95-

111 Le logiciel de CFD a poduit une gande quantité de données, et les ésultats adéquats ont été ecueillis dans le appot pou founi les infomations suffisantes à des fins de validation du pogamme ZGF Les ésultats des simulations compaés avec la littéatue disponible ont validé qualitativement les pincipaux phénomènes d écoulement à l intéieu de la chambe de combustion, effectivement epésentés pa les modèles à faible ésolution tels que les phénomènes de généation de swil pa l oifice d admission, le squish généateu de tubulence à l intéieu de la cuvette du piston, et le phénomène de tumble coectement epoduit avec cette gille. Ces ésultats ont démonté pa ailleus que l utilisation d un modèle axisymétique peut ête egadée comme epésentative, paticulièement pou la couse de compession. Tous les éléments de ce tavail contibuent à la constuction du pogamme de simulation ZGF et valident l intéêt de modèles multi-zones epésentant les champs d écoulements, pa appot aux modèles à 0-dimension ou des modèles plus simplifiés sans écoulements d admission, pou l intégation dans un code de calcul de cycle moteu. -96-

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