Chemical kinetics tabulation for pollutants prediction in internal combustion engines
Tabulation de la cinétique chimique pour la prédiction des polluants dans les moteurs à combustion interne
Résumé
Due to environmental concerns, automotive manufacturers aim at acquiring knowledge of physical and chemical phenomena inside the combustion chamber to understand and control pollutant emissions. Despite the outstanding performances in the domain of high performance intensive numerical calculation, the numerical simulations of the combustion chambers of the internal combustion engines do not allow a detailed description of the chemical processes. The present study aims to improve the turbulent combustion models based on Large Eddy Simulation approach by developing an efficient cost cutting tabulation method to fit chemistry in engine combustion modeling. A particular attention is paid to the capacity of the tabulation method to reproduce the pollutant species formation during the compression stroke, the reaction phase, and the power stroke of an ICE. This method assumes that IC engine chemistry can be mapped by a collection of 0-D reactor computation data, using for coordinates: the progress variable, the energy and the density. In a first step, the chemical prediction capability of this technique is validated on an auto-igniting variable volume simulation. The Tabulated Thermo Chemistry (TTC) method was initially developed to couple the chemical kinetics with compressible Navier-Stokes solvers for low Mach number flows. In this work, the TTC method was adapted in the framework of variable pressure combustion. A TTC version dedicated to engine combustion is thus coupled in an unsteady compressible LES code. The method of coupling was successfully tested both on simplified configurations and on a Rapid Compression Machine.
Les responsabilités environnementales font que les constructeurs automobiles visent à acquérir des connaissances approfondies sur les phénomènes physico-chimiques des chambres de combustion des moteurs pour la compréhension et le contrôle des émissions polluantes. En dépit des performances remarquables dans le domaine du calcul numérique intensif de très haute performance, les simulations numériques des chambres de combustion des moteurs à combustion interne ne permettent pas encore une description détaillée des processus chimiques. L’objectif de ces travaux est d’améliorer les modèles de combustion turbulente basés sur la Simulation aux Grandes Echelles en développant une méthode de tabulation de la cinétique chimique représentative de la combustion dans un cycle moteur. Une attention toute particulière est portée sur la capacité de la méthode de tabulation à reproduire la formation des espèces polluantes lors des phases de compression, d’auto-allumage et de détente d’un moteur à combustion interne. Cette méthode suppose que la chimie dans une chambre de combustion interne peut être approchée par une tabulation des résultats issus de calculs de réacteurs isochores 0-D, les coordonnées de la table étant: la variable de progrès, l’énergie et la masse volumique. La capacité prédictive de la technique de tabulation a été testée par des simulations d’auto-allumage en volume variable. La méthode de tabulation "Tabulated Thermo Chemistry" (TTC) a été initialement développée pour coupler la cinétique chimique à des solveurs Navier-Stokes compressibles dans des situations d’écoulement à faible nombre de Mach. Dans ce travail, la méthode TTC a été adaptée pour la combustion à pression variable. Une version TTC dédiée à la combustion dans les moteurs est donc implantée dans un code instationnaire LES compressible. La méthode de couplage a été testée avec succès tant sur des configurations simplifiées que sur une Machine à Compression Rapide.
Origine : Version validée par le jury (STAR)