Simulation aux Grandes Echelles d'un moteur à allumage commandé - Evaluations des variabilités cycliques, Large Eddy Simulation of a Spark-Ignition engine - Evaluations of cycle-to-cycle variation

THESE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE ’

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides


Présentée et soutenue par Benoît ENAUX
Le 16 juin 2010


Simulation aux Grandes Échelles d'un moteur à allumage
commandé - Évaluations des variabilités cycliques

JURY

J. BORÉE Professeur au LEA/ENSMA Rapporteur
O. COLIN HDR / Ingénieur à l’IFP Rapporteur
P. GUIBERT Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie Examinateur
R. BAZILE Maître de Conférence à l’IMFT Examinateur
L. THOBOIS Docteur / Ingénieur à PSA Peugeot Citroën Co-Directeur de thèse
T. POINSOT Directeur de recherche à l’IMFT Directeur de thèse


École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur de Thèse : Thierry POINSOT
Co-Directeur de Thèse : Ludovic THOBOIS
Table des matières
Table des matières 2
Remerciements 7
Nomenclature 9
1 Introduction 13
1.1 Les variations cycle à cycle ................................. 15
1.2 Etat de l’art en SGE de moteurs automobiles........................ 20
1.3 Objectifs de l’étude et choix méthodologiques ....................... 26
1.4 Organisation du manuscrit 28
I Equations et modèles pour les écoulements gazeux réactifs 29
2 Equations de conservation pour les écoulements gazeux réactifs 35
2.1 Équations et variables conservatives ............................ 35
2.2 Variables thermodynamiques ................................ 37
2.3 Équation d’état des gaz parfaits............................... 37
2.4 Diffusion moléculaire multi-espèces 38
2.5 Diffusion de la chaleur ................................... 39
34 TABLE DES MATIÈRES
2.6 Coefficients de transport diffusif .............................. 39
2.7 Cinétique chimique ..................................... 40
3 Equations pour la SGE réactive 43
3.1 Équations SGE ....................................... 44
3.2 Modèles de sous-maille ................................... 47
3.3 Modèle de combustion turbulente.............................. 49
3.4 Modélisation des frontières du domaine de calcul ..................... 55
4 Approche numérique 61
4.1 Discrétisation du domaine : une approche Cell-Vertex ................... 61
4.2 Schémas numériques .................................... 63
4.3 Avancement en temps 64
4.4 Viscosité artificielle ..................................... 65
4.5 Maillage mobile : une méthode ALE ............................ 66
4.6 Traitement des chocs 69
5 Cinétique chimique à 2 étapes propane-air 79
5.1 Données disponibles .................................... 80
5.2 Le mécanisme réduit 83
5.3 Utilisation du mécanisme à 2 étapes dans AVBP ...................... 90
5.4 Conclusion ......................................... 95
6 Modélisation de l’allumage : le modèle ED (Energy Deposition) 97
6.1 Physique d’un allumage par bougie............................. 98
6.2 Description du modèle de dépôt d’énergie ......................... 99
6.3 Tests de validation en DNS .................................100
6.4 Le modèle d’allumage ED en SGE108
6.5 Conclusion sur le modèle d’allumage par dépôt d’énergie .................12TABLE DES MATIÈRES 5
II Développement d’une méthodologie SGE en moteur entraîné 113
7 Evaluation des éléments tétraédriques en maillage mobile 117
7.1 Configuration expérimentale ................................118
7.2 numérique ..................................119
7.3 Premier calcul SGE .....................................122
7.4 Influence du raffinement de maillage ............................123
7.5 Influence du type d’élément.................................128
7.6 Conclusion .........................................131
8 Simulation SGE du banc F7P en moteur entraîné 133
LES of a motored single-cylinder piston engine .........................134
Compléments au chapitre 8 ....................................163
III Application de la méthodologie SGE en moteur avec combustion 171
9 Simulation d’un point stable du banc moteur F7P 175
9.1 Description du point de fonctionnement : le point stab_ref ................175
9.2 Stratégie numérique.....................................178
9.3 Résultats et discussion ...................................180
9.4 Conclusion .........................................202
10 Simulation d’un point instable du banc F7P 205
10.1 Description du point instab_dil ...............................205
10.2 Modélisation par SGE....................................206
10.3 Résultats...........................................210
10.4 Conclusion .........................................222
Conclusion générale 2276 TABLE DES MATIÈRES
Bibliographie 229
Annexes 241
A La décomposition en modes propres : POD 241
B Article soumis au Symposium de Combustion 243
Résumé 258Remerciements
Je tiens à exprimer ma gratitude à toutes les personnes qui ont contribué à faire des ces 3 années (...
et un bonus de 9 mois) une expérience très enrichissante.
Je remercie Thierry Poinsot d’avoir accepté de diriger cette thèse et de m’avoir donné le cadre né-
cessaire pour produire une recherche de haut niveau. Je retiens tout particulièrement la pertinence de ses
conseils. Je remercie également Ludovic Thobois pour l’encadrement de cette thèse et pour le regard
éclairé de motorise qu’il a porté sur mes résultats.
Mes remerciements vont naturellement à Jacques Borée et Olivier Colin qui ont accepté d’être rap-
porteurs de ma thèse, ainsi qu’à Philippe Guibert et Rudy Bazile pour avoir examiné ma soutenance.
Je me tourne maintenant vers les membres de l’équipe CFD du CERFACS qui m’ont accompagné
pendant cette thèse. Nombreuses sont les personnes que je souhaite remercier, je ne ferai pas de liste
exhaustive mais que toutes les personnes sachent que les années passées ici ont été un véritable plaisir
grâce à elles.
Dans un premier temps, je tiens à remercier vivement Olivier Vermorel dit "Papy Soupape" qui a gran-
dement contribué à la réalisation de cette thèse. Sa disponibilité, son soutien sans faille ainsi que les
nombreux conseils qu’il m’a prodigués m’ont indéniablement permis de mener à bien ces travaux. Merci
également à Victor Granet ou "Baby Soupape", complice de simulation de moteur à piston, qui a été
d’une aide précieuse dans la dernière année de thèse.
Je salue ensuite tous mes collègues avec qui j’ai partagé ou je partage encore le bureau et qui m’ont formé
à la CFD au cours de cette thèse. Merci à Matthieu Boileau ( M. PIXAR qui manie comme personne les
outils de visualisation), Guilhem Lacaze (qui a un peps d’enfer), Kerstin Wieczorek (qui a une sacrée
recette de vin chaud), et Yoann Cheny (enfin ... Igor Cheval) qui m’a rejoint sur la fin.
Merci également aux plus "anciens" : Eleonore Riber, Simon Mendez, Florent Duchaine, Matthieu
Leyko, Olivier Cabrit, Jean-Matthieu Senoner, sans oublier Anthony Roux que j’ai tané pour comprendre
la POD (Chuck N. n’aurait pas été de meilleur conseil).
Une autre pensée va pour tous les amis : Olivia, Nico, Sophie, Tom qui m’ont permis de m’aérer
l’esprit par les soirées et les vacances passées ensemble.
78 REMERCIEMENTS
Enfin mes derniers mots vont tout naturellement à mes parents qui m’ont permis d’évoluer dans un
cadre propice à mon épanouissement, ainsi qu’évidemment à Cécile qui a une part non négligeable dans
la réalisation de cette thèse. Elle m’a accompagné et supporté sans jamais faillir durant ces années.
Je ne peux conclure ces remerciements sans avoir une pensée pour mes grands parents, c’est à vous que
je dédie cette thèse.A la jacobienne
L ondes
M réactif ou produit k de la réaction jkj
Q taux d’avancementj
R constante universelle des gaz parfaitsNomenclature
R résidu du noeud ii
A constante pré-exponentielle
A surface de la flamme laminaireL
A surface de la flamme turbulenteT
c vitesse du sonLettres romaines
◦ C capacité calorifique à pression constanteV degré vilebrequin p
C constante du modèle de SmagorinskyA coefficient de réflexion S
C capacité calorifique à volume constantD matrice des résidus v
F tenseur