Simulation numérique tridimensionnelle de l'aérodynamique interne non réactive des moteurs à allumage commandé par une méthode hybride RANS / LES

Numerical simulation of non-reactive aerodynamics in Internal Combustion Engines using a hybrid RANS/LES approach

• Auteur / Autrice : Al Hassan Afailal
• Direction : Rémi Manceau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et énergétique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mathématiques et de leurs applications (Pau) - Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau]
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IFP Energies Nouvelles
• Jury : Président / Présidente : Jacques Borée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules électriques hybrides

Turbulence de sillage

Mots clés libres

Hybride RANS/LES

Turbulence

Mécanique des fluides CFD

LES

Moteurs à allumage commandé

WMLES

Detached eddy simulation

RANS

Turbulence

Hybrid RANS/LES

Computational fluid dynamics CFD

LES

Spark ignition engine

WMLES

Detached eddy simulation

RANS

Résumé

L'aérodynamique interne est un élément fondamental pour améliorer la combustion dans les moteurs à allumage commandé. Une meilleure maitrise des écoulements internes est permise grâce aux outils de simulation CFD qui sont de plus en plus utilisés dans le processus de développement des moteurs à allumage commandé. Cette thèse avait pour objectif d’étendre l'approche hybride RANS/LES-temporelle dite HTLES, initialement dédiée pour des écoulements statistiquement stationnaires, aux écoulements moteurs avec des parois mobiles et des modes opératoires cycliques, puis de la valider dans des configurations représentatives des écoulements moteurs. Cette approche vise à modéliser les régions proches parois par approche statistique RANS et tend continûment vers la LES temporelle loin des parois si la discrétisation spatiale et temporelle est suffisamment résolue. Le formalisme temporel permet une hybridation RANS/LES consistante dans un écoulement statistiquement stationnaire, les deux méthodes se basant sur des opérateurs temporels (respectivement la moyenne temporelle et le filtrage temporel). Une première amélioration de l’approche HTLES a été proposée en ajoutant une fonction de protection qui impose le mode RANS dans la région proche paroi, indépendamment de la discrétisation locale (spatiale et temporelle). Dans les écoulements cycliques, l’approche HTLES modélise les échelles turbulentes non-résolues en se basant sur des moyennes de phase des grandeurs résolues qui sont inconnues lors de la simulation. La moyenne glissante exponentielle (EWA) a été utilisée afin d’approximer ces moyennes de phase. Une formule pour définir la largeur de la moyenne glissante a été proposée de sorte que les fluctuations turbulentes (hautes fréquences) soient filtrées des quantités résolues, tout en conservant les composantes cycliques (basses fréquences). Cette approche a été implémentée dans le code de calcul industriel CONVERGE CFD. Elle a d'abord été validée dans deux configurations stationnaires : un canal plan infini et un banc volute. A cet effet, les résultats ont été comparés aux données de référence et aux résultats RANS et LES. Dans les régions proches parois où le maillage est sous résolu pour la LES, EWA-HTLES a mieux prédit l’écoulement grâce à l'utilisation du mode RANS, permettant une meilleure prédiction des pertes de charge. La résolution des grandes échelles dans la région centrale a permis d'obtenir des prédictions aussi précises qu’une simulation LES en termes de vitesses moyennes et des fluctuations. La validation de l'EWA-HTLES a également été effectuée dans deux configurations moteurs : le tumble compressé et le moteur Darmstadt, tous deux présentant des caractéristiques aérodynamiques typiques aux moteurs à allumage commandé telles que la génération et la compression du mouvement de tumble et la variabilité cyclique. Pour chaque configuration, un nombre total de 40 cycles consécutifs simulés à l'aide de EWA-HTLES a été utilisé pour calculer les deux premiers moments statistiques. Les résultats ont été comparés aux données de la PIV, et aux résultats donnés par les simulations RANS et LES. Les résultats ont montré que le modèle développé arrive à contrôler correctement la transition RANS-LES dans des configurations complexes avec des conditions d'écoulement non stationnaires et des déformations géométriques importantes, assurant le mode RANS aux parois et la LES au centre du cylindre. La résolution des grandes échelles a permis une bonne prédiction des phénomènes instationnaires, particulièrement l'évolution des caractéristiques du mouvement de tumble et des phénomènes associés aux variabilités cycliques, tels que l'augmentation locale de vitesses fluctuantes. Les résultats de l'EWA-HTLES sont similaires à ceux prédits par la LES et meilleurs que ceux donnés par les simulations RANS. Ces résultats montrent des perspectives encourageantes pour l'application de cette méthode dans de nombreuses configurations industrielles.

Internal aerodynamics is a key element for improving the combustion efficiency in Spark-Ignition (SI) engines. Within this context, CFD tools are increasingly used to investigate in-cylinder flows and to support the design of fuel-efficient engines. The present research aimed at extending and validating a non-zonal hybrid Reynolds-Averaged Navier-Stokes / Temporal Large-Eddy Simulation (HTLES) approach, initially formulated for stationary flows, to cyclic SI engine flows with moving walls. The aim was to model the near-wall regions and coarse mesh regions in RANS, while solving the turbulent scales in core regions with sufficient mesh resolution using temporal LES, in a seamless approach with no a priori user input. HTLES was retained as it proposed a consistent hybridization combining time-averaging in RANS regions with temporal filtering in TLES.A first development consisted in implementing a smooth shielding function that enforces the RANS mode in near-wall regions, regardless of the local temporal and spatial resolution. The extension of HTLES to cyclic flows was then achieved via the formulation of a method allowing approximating the phase averages of resolved flow quantities based on an Exponentially Weighted Average (EWA). A dynamic expression for the width of the weighted average was proposed, in order to ensure that the high frequency turbulent fluctuations be filtered out from the resolved quantities, while keeping the low frequency cyclic components of the flow variables. The resulting EWA-HTLES model was implemented in the commercial CONVERGE CFD code. The developed EWA-HTLES model was first applied to the simulation of two steady flow configurations: a minimal turbulent channel and a steady flow rig. Predictions were confronted with reference data, as well as with those from RANS and LES. All simulations relied on the use of standard wall laws and coarse grids at walls. Imposing the RANS mode at walls yielded EWA-HTLES predictions of pressure losses much closer to DNS and experimental findings than with LES. At the same time, it allowed yielding results in terms of mean and RMS velocities s in the core regions of the same quality than LES, and superior to RANS.Finally, EWA-HTLES was applied to the simulation of two cyclic flows representative of SI engines: the compressed tumble and the Darmstadt single-cylinder pentroof 4valve engine. For each configuration, a total number of 40 consecutive cycles were simulated. The results were confronted to PIV data, and to RANS and LES predictions obtained using the same numerical set-up. It was shown that EWA-HTLES successfully drives the RANS-to-LES transition in such complex configurations exhibiting unsteady flow features and important cyclic geometrical deformations. It switched from the RANS mode at the walls to LES in the core region of the cylinder, allowing a better prediction of unsteady phenomena including the evolution of the overall tumble characteristics and phenomena associated to cyclic variability. The EWA-HTLES results were shown to be comparable to those predicted by LES, and superior to RANS.The performed developments and obtained results open encouraging perspectives for the application of this hybrid RANS/LES method in industrial configurations involving non-stationary conditions and in particular moving boundaries.