Contributions à la modélisation de l'interaction flamme-paroi et des flux pariétaux dans les moteurs à allumage commandé PDF Download

Author: Christian Angelberger
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Languages : fr
Pages : 206

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Le but de cette thèse est la modélisation de l'interaction flamme-paroi dans les simulations numériques de l'écoulement et de la combustion dans la chambre de combustion des moteurs à allumage commandé à mélange homogène. Dans un premier temps, une étude bibliographique montre entre autre que l'extinction d'une flamme prémélangée par une paroi froide est essentiellement de nature thermique, soulignant l'importance d'une prédiction adéquate des flux pariétaux. L'approche de modélisation présentée comporte deux volets. Dans un premier temps, un modèle existant pour le coincement thermique d'une flamme turbulente prémélangée est reformulé pour être applicable à la combustion anisobare (pression variable en temps) caractéristique des moteurs à piston. Ce premier volet de la modélisation adresse les effets des parois sur la combustion en leur voisinage. Dans un second temps, on propose des modèles de paroi adaptés aux couches limites pariétales fortement anisothermes, générées lors des phases de compression et de combustion dans un moteur à piston. Ce deuxième volet permet d'adresser - de facon indirecte - l'effet de la combustion sur l'écoulement proche-pariétal et les flux pariétaux, à travers l'élévation de la température des gaz qu'elle entraîne. Les modèles proposés sont implantés dans le code de simulation KIVA-II GSM et sont tout d'abord validés à l'aide de cas tests simples. Leur application à deux configurations moteur et la comparaison à des résultats expérimentaux - incluant en particulier des mesures locales de flux de chaleur pariétaux - illustrent l'amélioration de la prédictivite du code qu'ils apportent, comparés aux modèles n'adressant pas les effets de l'interaction flamme-paroi.

Author: Fabienne Galzin
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Languages : fr
Pages : 296

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LA PROPAGATION D'UNE FLAMME PREMELANGEE TURBULENTE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FERMEE EST ETUDIEE PAR L'APPROCHE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE (PDF) DES VARIABLES FRACTION ET ENTHALPIE MASSIQUES. L'ALLUMAGE ET L'INTERACTION FLAMME-PAROI PEUVENT AINSI ETRE REPRESENTES EGALEMENT. LA RESOLUTION DE L'EQUATION POUR LA PDF JOINTE EST EFFECTUEE PAR UNE METHODE MONTE CARLO LAGRANGIENNE COUPLEE A UN CODE DE CALCUL EULERIEN. DEUX MODELES DE DIFFUSION TURBULENTE SONT PRESENTES ET ETUDIES : LE PREMIER SUPPOSE CLASSIQUEMENT UNE DIFFUSION DE TYPE GRADIENT ALORS QUE LE SECOND REPOSE SUR LA DISPERSION TURBULENTE LAGRANGIENNE DE PARTICULES. UNE ADAPTATION DE CE DERNIER, NECESSAIRE POUR LES ECOULEMENTS REACTIFS EST PROPOSEE. UN NOUVEAU MODELE DE MELANGE TENANT COMPTE DE LA PRESENCE EVENTUELLE DE FLAMMELETTES EST EGALEMENT PROPOSE. LE TEMPS CARACTERISTIQUE DE MELANGE EST CALCULE A PARTIR DE LA DISSIPATION SCALAIRE DONT L'EQUATION DE TRANSPORT ETABLIE DANS LE CADRE DE FLAMMELETTES EST GENERALISEE POUR DES FLAMMES PLUS EPAISSES. TROIS PROCESSUS DE TRANSFERTS THERMIQUES SONT PROPOSES AFIN DE DETERMINER LES FLUX DE CHALEUR PARIETAUX. LES DIVERS PROCESSUS STOCHASTIQUES SONT ETUDIES TOUT D'ABORD DANS UN CAS SIMPLE MONODIMENSIONNEL. DES CALCULS SONT MENES ENSUITE DANS UNE CONFIGURATION REELLE BIDIMENSIONNELLE. UNE DERNIERE ETUDE DEMONTRE LA FAISABILITE DE L'APPROCHE PDF DANS LES MOTEURS (A ALLUMAGE COMMANDE).

Author: Thierry Poinsot
Publisher: R.T. Edwards, Inc.
ISBN: 9781930217102
Category : Science
Languages : en
Pages : 544

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Introducing numerical techniques for combustion, this textbook describes both laminar and turbulent flames, addresses the problem of flame-wall interaction, and presents a series of theoretical tools used to study the coupling phenomena between combustion and acoustics. The second edition incorporates recent advances in unsteady simulation methods,

Author: Fabrice Foucher
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Languages : fr
Pages : 212

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La législation concernant les émissions polluantes des moteurs d'automobile devenant de plus en plus draconienne, et dans un soucis de diminuer les rejets de gaz à effets de serres, les constructeurs automobiles se sont engagés à diminuer la consommation et les émissions polluantes des véhicules. Pour réussir ce challenge, une compréhension parfaite de la combustion est nécessaire pour permettre notamment d'améliorer les modèles numériques nécessaire à la conception de moteur respectant les prochaines normes antipollution. Malgré de très nombreuses recherches concernant les différentes phases de la combustion moteur, certaines d'entre elles sont encore très mal connues. L'interaction des flammes de prémélange avec les parois de la chambre de combustion fait partie. Nous proposons dans ce travail d'améliorer les connaissances générales de la combustion des moteurs à allumage commandé et plus particulièrement du phénomène d'interaction flamme paroi. Pour cela, deux dispositifs expérimentaux ont été mis en œuvre : - Le premier permet l'étude de l'interaction d'une flamme laminaire de prémélange avec une paroi dans une enceinte maintenue à pression constante. La PIV (Particle Imaging Velocimetry) rapide a été mise en place afin de suivre temporellement la propagation de la flamme contre une paroi froide. Les vitesses locales aux fronts et les étirements de flammes ont ainsi pu être déterminés. Il a été montré que le comportement de la flamme évoluait significativement lorsque le front de flamme était distant de 4 à 5 mm de la paroi. - Le deuxième dispositif expérimental est un moteur à accès optiques. L'aérodynamique pariétale de ce dernier a été caractérisée à l'aide de la PIV (Particule Image Velocimetry) basse fréquence. La Fluorescence induite par tomographie laser a été utilisée pour étudier les flammes de prémélange interagissant avec le piston. L'analyse des images tomographiques a permis de déterminer le taux de réaction moyen à partir de l'analyse de la densité de surface de flamme puis de l'analyse fractale. Un effort particulier a été apporté pour ne pas intégrer à ces analyses les fluctuations cycle à cycle de la combustion. Finalement, une évolution du taux de réaction moyen en fonction de la distance flamme piston a été déterminée.

Author: Laëtitia Muller
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Languages : fr
Pages : 212

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Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.

Author: Leslie Kaprielian
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Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants.

Author: François Dabireau
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Pages : 214

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Les conditions extrêmes de pression et de température qui règnent dans la chambre des moteurs-fusées imposent de prédire de manière sûre les flux de chaleur, en moyenne pour l'élaboration du cycle de fonctionnement mais aussi localement au cours du temps pour l'évaluation de la durée de vie de la chambre de combustion. Dans cette étude on utilise des codes de calcul pour estimer les flux pariétaux. Pour une meilleure évaluation des flux moyens en code RANS (équations de Navier-Stokes moyennées) on développe des lois de paroi prenant en compte la forte compressibilité du fluide et le fort gradient de température normal à la paroi. La validité de ces modèles est éprouvée par des tests « a priori », puis dans plusieurs configurations académiques ou industrielles. L'erreur commise sur le flux au col d'une tuyère passe d'environ 50% avec une loi log, à 15% avec les modèles développés. Quant au flux de chaleur maximum il est attribué à l'interaction flamme H2/O2-paroi pour laquelle plusieurs configurations génériques sont calculées avec des codes de Simulation Numérique Directe. Les mécanismes d'interaction sont détaillés sur des cas mono- puis bidimensionnels. On montre qu'à condition de disposer d'une thermochimie ajustée, des études en chimie simple sont tout à fait pertinentes puisque le problème est thermiquement contrôlé. L'influence de la pression sur la flamme s'avère différente en prémélange et en diffusion. Du point de vue thermique c'est la distance entre la flamme et la paroi qui pilote le flux maximal. On établit finalement que la paroi peut être soumise à des flux instantanés localement très élevés. Dans certaines configurations on peut également s'attendre à ce que l'interaction s'installe sur la durée.

Author: Thierry Mantel
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LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL PRESENTE UN NOUVEAU MODELE PERMETTANT DE DECRIRE LA PROPAGATION DE FLAMMES TURBULENTES PREMELANGEES. L'APPROCHE RETENUE CONSISTE A CALCULER LE TAUX DE DISSIPATION DES FLUCTUATIONS D'UN SCALAIRE (CONCENTRATION, TEMPERATURE) PAR UNE EQUATION DE TRANSPORT. ON MONTRE QUE LES EFFETS D'ETIREMENT A PETITE ECHELLE ET DE COURBURE LOCALE DU CHAMP DE CONCENTRATION SONT DES PHENOMENES PREDOMINANTS. DANS LE REGIME DES FLAMMELETTES, LE MODELE PERMET D'ABOUTIR A UNE EQUATION DE TRANSPORT POUR LA DENSITE DE SURFACE DE FLAMME ET A UNE NOUVELLE FORMULATION DU MODELE EDDY BREAK-UP. UNE REVISION DE LA MODELISATION DU FLUX DE DIFFUSION TURBULENTE POUR LE SCALAIRE A EGALEMENT ETE PROPOSEE. LA DONNEE D'UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE (PDF) AU MOMENT DE L'ALLUMAGE NOUS A PERMIS DE REPRESENTER DE MANIERE SATISFAISANTE L'INITIATION DE LA COMBUSTION. LES COMPARAISONS AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS DE CONFIGURATIONS DIFFERENTES ONT PERMIS DE VERIFIER LA REPONSE DU MODELE AUX CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE ET A LA COMPOSITION DU MELANGE. ON EN DEDUIT LES RENSEIGNEMENTS CONCERNANT L'EVOLUTION DU NOMBRE DE SCHMIDT AINSI QUE L'ECHELLE DE TEMPS CARACTERISTIQUE DES FLUCTUATIONS DU SCALAIRE AU SEIN DE LA FLAMME. LA SECONDE PARTIE CONCERNE L'ALLUMAGE DANS LES MOTEURS A ESSENCE ET UNE APPLICATION DU MODELE A UN CAS CONCRET. L'INITIATION PROVOQUEE PAR UNE BOUGIE CONVENTIONNELLE SOUMISE A UN CHAMP AERODYNAMIQUE DONNE A ETE SIMULEE NUMERIQUEMENT. CES CALCULS AINSI QUE DES MESURES EXPERIMENTALES ONT MONTRE DES POSITIONS OPTIMALES DE LA BOUGIE PAR RAPPORT A L'ECOULEMENT PERMETTANT UN MEILLEUR DEBUT DE COMBUSTION EN MELANGE PAUVRE

Author: Simon Le guen
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Languages : fr
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Du fait du durcissement des normes en matière d'émissions polluantes et de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles développent des groupes motopropulseurs toujours plus sophistiqués et mettent au point des stratégies de contrôle moteur avancées. Dans ce contexte, les outils de simulation interviennent à toutes les étapes du processus de développement d'un moteur. Il est donc nécessaire de posséder des modèles à la fois fiables et simples d'utilisation. Les transferts thermiques entre les gaz et les parois de la chambre de combustion influencent des postes clés tels que la consommation et les émissions polluantes. Néanmoins ceux-ci sont difficiles à modéliser du fait de la complexité associée à leur caractérisation expérimentale. Au cours du travail de thèse, une instrumentation spécifique permettant de mesurer directement le flux de chaleur aux parois des chambres de combustion des moteurs à piston a été développée. Les mesures spécifiques réalisées dans différentes conditions de fonctionnement sont combinées à des mesures standards afin de d'étudier les phénomènes gouvernant le transfert de chaleur. Ces résultats sont utilisés pour comparer les principaux modèles zéro-dimensionnels provenant de la littérature et les différentes méthodes de calibration disponibles. Leur précision ainsi que leur prédictivité sont évaluées et des modifications sont proposées.

Author: Gilles Bruneaux
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Languages : fr
Pages : 160

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Au cours de ce travail de thèse, nous étudions les interactions flamme turbulente prémélangée-paroi à l'aide d'analyses théoriques et numériques. En premier lieu, nous nous intéressons au régime laminaire. Tout d'abord, un rappel des études menées dans la littérature scientifique nous permet de caractériser les configurations d'interaction puis de valider l'emploi de schémas cinétiques simplifiés. Ensuite, des calculs d'intéraction laminaire sont effectués à l'aide d'une simulation numérique directe employant un schéma cinétique à une étape, puis sont comparés avec succès à une analyse asymptotique. Nous retrouvons les distances de coincement et les flux de chaleur pariétaux de la littérature. Les pertes thermiques réduisent la vitesse de consommation et mènent à l'extinction de la flamme lors du maximum du flux de chaleur pariétal. Cette extinction est suivie d'une phase de retrait de la flamme, quand le fuel diffuse dans la zone de réaction, qui explique la faible production d'imbrûlés de combustion lors de l'interaction. Dans une seconde partie, nous étudions le régime turbulent. Pour cela, deux types de simulations numériques directes sont menés : des calculs bi-dimensionnels complets et des calculs tri-dimentionnels à densité constante. Des résultats similaires sont obtenus : le comportement local de la flamme turbulente est assimilable à une interaction laminaire, et il existe des poches de gaz frais dans les gaz brûlés, associées à des zones d'extinction locales. Dans les calculs bi-dimensionnels les distances de coincement et les flux thermiques maximaux sont comparables aux valeurs laminaires. Cependant, dans les calculs tri-dimensionnels, la structure de la turbulence induit des distances plus petites et les flux plus élevés. Dans une dernière partie, nous élaborons et validons un modèle d'interaction flamme-paroi. Ce modèle s'appuie sur l'approche des flammelettes, où la flamme est décrite par sa vitesse de consommation et sa densité de surface. L'équation exacte de propagation de la densité de surface est prise comme point de départ et son bilan est équilibré avant, pendant et après l'interaction. Des sous-modèles sont proposés pour chacun des termes de l'équation et sont comparés individuellement aux résultats de la DNS. L'effet des pertes thermiques sur la vitesse de consommation est pris en compte dans l'expression du taux de réaction moyen, ainsi que dans les expressions des termes de transport et de destruction de surface. La diminution des échelles turbulentes près du mur affecte les expressions des termes d'étirements turbulent et de diffusion turbulente. Ensuite, ce modèle est dérivé en loi de paroi puis incorporé dans un code de calcul moyenné (Kiva2-MB). Il est validé dans un calcul de combustion moteur.