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O. Colin (IFP Energies Nouvelles)
SIGLE Développement de modèles pour la SImulation aux
Grandes échelles des jets de carburants LiquidEs dans
les moteurs à combustion interne
1
Objectifs généraux
Objectif: aide au développement de nouveaux concepts moteur allumage commandé (MAC) par le calcul 3D SGE (Simulation aux grandes échelles)
• Le projet ANR SGEmac a montré la capacité de la SGE à reproduire les fluctuations cycliques d'un MAC injection indirecte
• SIGLE: permettre la réalisation de SGE moteur diphasiques – développement des approches SGE lagrangienne et eulérienne
car avantages et inconvénients de chacune
– développements des conditions limites d'injection (point critique en simulation 3D)
– validations académiques et moteur
Structure générale du projet SIGLE
T1 : Modèle Lagrangien
T2 : Modèle Eulérien
T3 : Simulation
num. directe
T4 : Validation sur cas
académiques
T5 : Evaluation en
conditions moteur
(IFPEN) (IMFT, Renault, IFPEN) (CORIA)
(IMFT)
(PSA, IFPEN)
Les acteurs du projet
Colloque Energies – 12 et 13 janvier 2012
4
• IFPEN: Chawki Habchi, Aimeric Vié, Olivier Colin
• CORIA: Hicham Mefta, Benoît Leveugle, Julien Reveillon, Francois-Xavier Demoulin, Y. D’Angelo, B. Delhom
• IMFT: Jérôme Dombard, Florent Duchêne, Laurent Selle
• PSA: Benoist Enaux, Laurent Duchamps de Lageneste
• Renault: Jérémy Chesnel, Frédéric Ravet
Tâche1: modèle lagrangien
Objectif: développement de modèles Lagrangiens SGE pour: – l'injection dans les moteurs à combustion interne
– l'évaporation des jets de carburants liquides
– l'atomisation secondaire des jets
– l'interaction jet/paroi
Partenaires: – IFP: développement de l'approche lagrangienne SGE dans AVBP en
se basant sur l'expertise RANS
Modélisation de l'injection liquide
modèle cône plein pour
injecteurs Diesel:
Dense Volume Injection
model (DVI)
modèle cône creux pour
injecteurs piézo-électriques
essence
Modélisation de l’évaporation des gouttes
Implémentation du modèle de (Abramzon et Sirignano,1989)
Validation sur l’expérience de (Chauveau et al., 2008)
« cross-fiber technic »
d=14 microns
Modélisation de l’atomisation secondaire
Développement du modèle energy Spectrum Analogy Breakup (SAB)
Validation sur l’expérience de (Park et al., 2006)
2
p gazd V VWe
Vgaz
68 383 153
Modélisation de l’atomisation secondaire
Z= 8 mm
Z= 12 mm
Z= 16 mm
SMD vitesse axiale
Z= 8 mm
Z= 12 mm
Z= 16 mm
10
Tw
We
Wec_dry
Wec_wet
Tsaturation TLeidenfrost TNukiyama
Formation Film liquide:
Gouttes immobilisées
sur la paroi
Modèle Splashing
Basé sur le expé de:
Mundo et al (IJMF-1995)
Yarin & Weiss (JFM-1995)
Cossali (Exp. Fluid-1997)
Mathews et al (A&S-2003)
Rebond :
Corrélation
de Gonzalez
Modèle Splashing
Basé sur expé de :
Cossali (ILASS-2003)
+ Modèle jet de
Naber&Reitz
(SAE-880107)
Modélisation de l’intéraction spray/paroi
Modélisation de l’intéraction spray/paroi
Modèles développés et validés pour tous les phénomènes
essentiels au calcul SGE diphasique moteur
Tâche2: modèle Eulérien
Objectif: Développement de modèles Eulériens SGE pour – définir des conditions limites d'initialisation des jets de carburants
liquides en SGE moteur
– modéliser la contribution de sous-maille: aspect non traité durant le projet, remplacé par travail sur l’intégration numérique des modèles eulériens
– représenter l'effet polydisperse en taille et température
Partenaires: – IMFT: développement des effet sous-maille dans AVBP en se basant
sur l'expertise IMFT dans l'approche mesoscopique (Fevrier,2005)
– CORIA (Renault): développement approche LES d'atomisation primaire en partant de l'expertise en DNS d'atomisation primaire
– IFP: développement de conditions limites injecteur essence
Modélisation de l’atomisation primaire Contexte:
– l’atomisation primaire est l’atomisation des gouttes dans les premiers millimètres en sortie d’injecteur
– cette atomisation n’est pas calculable directement dans une SGE moteur car échelles trop petites et calcul complexe
– les calculs diphasiques moteur doivent donc se baser sur des conditions limites approximées du spray=> source importante d’imprécision des calculs actuels
Stratégie SIGLE:
– contribuer au développement du calcul SGE d’atomisation primaire pour pouvoir à terme:
• fournir des conditions limites fiables aux calculs SGE moteur
• ou (plus long terme) calculer toute l’atomisation du spray depuis la sortie d’injecteur
Aiguille
Orifice
d’injection
Poche de
cavitationGouttelettes
de liquide
Carb.
liquide
Gaz comprimé
par le piston
Cœur liquide
Sens de l’écoulement
atomisation
primaire
atomisation
secondaire
Aiguille
Orifice
d’injection
Poche de
cavitation
Poche de
cavitationGouttelettes
de liquide
Gouttelettes
de liquide
Carb.
liquide
Gaz comprimé
par le piston
Cœur liquideCœur liquide
Sens de l’écoulementSens de l’écoulement
atomisation
primaire
atomisation
secondaire
Interface et structures liquides résolues
par le maillage LES :
Résolution type DNS LS/VOF (Ménard et al, 2007)
Prise en compte des sauts
Tension de surface résolue
Spray de sous maille
Description moyenne type ELSA
+ densité d’interface
(Lebas et al, 2009)
Transition
Modélisation de sous
maille SIGLE
Modèle LES : Principes et objectifs
Comparaison DNS, LES (SIGLE), LES de référence (VOF/LES)
Densité d’interface – Résultats
Echelle de longueur :
Densité d’interface – Résultats
Développement d’un modèle SGE d’atomisation primaire ouvrant la
voie à la définition de conditions limites fiables pour le calcul SGE
moteur
Tâche 3: Simulation numériques directes
Objectif: fournir une base de données numérique pour le développement de modèles SGE moteur – DNS permettant d'évaluer les flux massiques et thermiques entre
la phase liquide et gazeuse: base de données pour la tâche 2
Partenaires:
– CORIA: réalisation de DNS type jet avec le code DNS diphasique
lagrangien du CORIA, introduction des post-processing nécessaires à l'évaluation des PDF de taille et température
Tâche 4: Validation sur cas académiques
Objectif: réaliser des SGE permettant de valider les modélisations proposées – comparaison à des résultats théoriques
– études a priori et a posteriori des cas DNS de T3
– comparaison E-L/E-E et avec l'expérience
Partenaires – IFMT: calculs AVBP Euler/Euler pour validation par rapport au
lagrangien (codes DNS Asphodèle du CORIA et NTMIX de IMFT)
M8C12R22_movie_vorticity_iso_alphap-desktop.mov
movie_JP2D_comp_EL_EE_alphap.mov
AVBP / Asphodèle AVBP/ NTMIX
Lagrange (NTMIX) Euler (AVBP)
NTMIX AVBP
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Objectif: évaluation des modèles développés en condition moteur – évaluation en enceinte pressurisée: comparaison aux mesures expé.
par diagnostiques optiques
– test de faisabilité moteur injection directe
Partenaires – IFPEN: injections SGE lagrangiennes avec AVBP sur les cas enceinte
pressurisée de IFPEN
– PSA: utilisation de la version AVBP de IFPEN sur des cas enceinte pressurisée de PSA
Tâche 5: Validations en conditions moteur
base de données IFPEN/GSM (DB2 2006) – visu LIEF du gasoil en phase gaz
– Pinj = 1200 bar, Tinj = 0.345 ms
– Pressure enceinte: 25 et 67 bar
– Température enceinte: 900 K
3.7 millions de mailles
Taille caractéristique des mailles près du nez = 80µm
Temps réel calculé = 0.5 ms
Temps CPU = 1h40
Nombre proc (AMD Barcelona 2.3 Ghz) = 80
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Expériences
Calc
uls
LE
S Champs instantanés (3 réalisations)
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Exp
érie
nce
s
Calc
uls
LE
S
(kg/m3) (kg/m3)
Résultats moyens sur 30 réalisations
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Profils radiaux moyens à 0.5 ms (120 réalisations)
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Profils axiaux moyens à 0.5 ms (120 réalisations)
Tâche 5: Validations en conditions moteur
Cas d’interaction spray/paroi
(expériences IFPEN/GSM) Test de faisabilité moteur
Conclusions et perspectives
Les objectifs du projet SIGLE ont été atteints – avancée sur la modélisation lagrangienne SGE: permet aujourd’hui
la réalisation de calculs SGE moteur diphasiques
– avancée sur la modélisation SGE de l ’atomisation primaire pour à terme définir des conditions d’injection prédictives
– avancées sur la modélisation SGE eulérienne: cette approche reste une alternative à moyen terme au lagrangien pour le moteur à piston et autres applications
Communication: – 4 articles soumis, 6 papier de conférence internationale
Perspectives: – démarrage le 01/2011 du projet ANR ICAMDAC (Instabilités et
Combustions Anormales dans les Moteurs Downsizés à Allumage Commandé): calculs SGE basés sur développements de SIGLE
– Projet ANR sur les régimes transitoires (film liquide)
CERFACS & IFPEN: AVBP development
model integration, maintenance, interfacing
PhDs: 14 since 2001
IFPEN, CERFACS, Renault, PSA, IMFT, Coria, EM2c, I3M
numerics, physical models,
methodologies
EC FP5 LESSCO2
Feasibility of CCV by LES ANR SGEmac
LES method for CCV
ANR CamPaS
multicyl. LES
ANR SIGLE
LES of engine sprays
EC FP7 LESSCCV
Exploiting LES for proposing
CCV models for 1D CFD
ANR ICAMDAC
LES of CCV & abnormal combustion
in downsized DI-SIE
EC FP6 & FP7
LES of aero GT ignition
Bilateral LES application to
engine aerodynamics
SIGLE dans le développement SGE moteur en France