Modélisation de la combustion allumage commandé pour des mélanges forte dilution avec additivation de dihydrogène

Spark ignition modelling for high diluted mixtures with dihydrogen additivation

• Auteur / Autrice : Pierre Nalais
• Direction : Olivier Colin, Denis Veynante
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IFPEN / Sciences et Technologies du Numérique
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)

Mots clés

Mots clés libres

Combustion

Modélisation

Haut Karlovitz

Moteur

Hydrogène

Combustion

Modelling

High Karlovitz

Motor

Hydrogen

Résumé

A travers le monde, 70% des véhicules légers sont équipés de moteurs à allumage commandé (MAC) et le resteront à moyen terme. Une des technologies proposées pour réduire les émissions de CO2 de ces MAC est basée sur l'augmentation de la dilution par gaz brûlés recirculés ou par l'air combinée à l'augmentation du niveau de turbulence dans la chambre. Ces deux facteurs conduisent à une combustion dite hauts Karlovitz dans laquelle les modèles basés sur une hypothèse de flammelette ne sont plus valides. A l'IFPEN, le modèle de combustion ECFM, aussi basé sur cette hypothèse, a récemment été adapté au régime haut Karlovitz (modèle ECFM-HK). Toutefois, les premiers tests moteur ont montré que la phase d'allumage nécessite aussi une adaptation particulière à ce régime qu'il faudra donc investiguer dans cette thèse au travers de DNS d'allumage qui permettront de proposer une modélisation appropriée. La seconde technologie envisagée est l'introduction de dihydrogène en complément de l'essence afin d'accroitre la vitesse de combustion et enfin de réduire l'utilisation d'énergie fossiles (l'essence) au profit d'énergies renouvelles (le dihydrogène). Bien que se déroulant aussi à haut Karlovitz, la présence d'une fraction importante d'H2 peut conduire à des longueurs de Markstein négatives (L<0) responsables d'un comportement de flamme très différent de celui observé avec le mélange essence/air, caractérisé par une longueur de Markstein en général positive. La modélisation CFM-HK proposée pour des cas L>0, devra donc corrigée pour les cas L<0 en suivant une approche identique à celle utilisée précédemment : réalisation de DNS spécifiques à L<0, puis adaptation des termes source du modèle et enfin tests en conditions moteur. Ces évolutions du modèle seront intégrées dans le code CONVERGE utilisé à IFPEN et feront l'objet d'une ou plusieurs publications dans des revues de combustion.

Worldwide, 70% of light vehicles are equipped with a spark ignition(SI) engine, and will remain so in the near future. For this reason, technologies are still needed to reduce SI engine CO2 emissions. The most promising one is to increase the use of dilution by burned gases or air in combination with an increase of the turbulence level. This technology leads to a shift from the flamelet regime to the thin reaction zone regime (TRZ), also characterized as the high Karlovitz regime. In this regime, standard combustion models like ECFM, which are based on the flamelet hypothesis, are no more valid, leading to the impossibility for manufacturers to develop reliably their engines with CFD. For this reason, at IFPEN, ECFM has been recently adapted to the TRZ regime, giving the ECFM-HK model. Unfortunately, first engine results showed that the ignition phase also requires an adaptation to this regime that will need to be investigated in this PhD thanks to DNS of ignition. The second considered technology to reduce emissions is to introduce hydrogen in addition to gasoline in order to increase the combustion speed but also to reduce the use of fossil fuels (gasoline) to the benefit of renewable fuels (H2). This fuel evolution implies that combustion of nearly pure H2/air mixtures can be encountered. Such a mixture can be characterized by a negative Markstein length (L<0), while a gasoline/air mixture normally presents a positive Markstein length, leading very different flame charateristics between those two fuels. ECFMHK, specifically developed for the case L>0, requires an adaptation for the case L<0 that will be investigated in this PhD realizing specific DNS of turbulent flames at L<0, adaptations of ECFM-HK source terms, and finally engine tests for validation of the model developments. These evolutions will be integrated in the CONVERGE code used at IFPEN and will lead to one or two publications in a combustion journal.