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HAL Id: tel-00717396 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00717396 Submitted on 12 Jul 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation 0D/1D de la combustion diesel : du mode conventionnel au mode homogène Nicolas Bordet To cite this version: Nicolas Bordet. Modélisation 0D/1D de la combustion diesel : du mode conventionnel au mode homogène. Autre. Université d’Orléans, 2011. Français. NNT : 2011ORLE2070. tel-00717396 UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES Laboratoire PRISME THÈSE présentée par : Nicolas BORDET soutenue le : 12 Décembre 2011 pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université d’Orléans Discipline : Energétique Modélisation 0D/1D de la Combustion Diesel : du Mode Conventionnel au Mode Homogène THÈSE dirigée par : Pr. Pascal HIGELIN Professeur, Université d’Orléans - PRISME RAPPORTEURS : Pr. Louis LE MOYNE Professeur, Université de Bourgogne - ISAT Dr. Xavier TAUZIA Maître de Conférences HDR, Centrale Nantes – LMF ____________________________________________________________________ JURY : Pr. Bernard LEDUC Professeur, Université Libre de Bruxelles Dr. Stéphane RICHARD Ingénieur de Recherche, IFPEN Dr. Christian CAILLOL Maître de Conférences, Université d’Orléans - PRISME Dr. Vincent TALON Ingénieur de Recherche, Renault SAS A mon fils, Remerciements Cette thèse a été effectuée au sein de la Direction de la Recherche, des Etudes Avancées et des Matériaux (DREAM) de l’entreprise Renault SAS en partenariat avec le laboratoire PRISME de l’Université d’Orléans dans le cadre d’une convention CIFRE. Je tiens tout d’abord à remercier M. Vincent TALON, qui est le principal instigateur de ce travail, pour la confiance qu’il m’a accordée, pour sa disponibilité et pour tout le support technique dont il m’a fait bénéficier. J’aimerais aussi remercier M. Pascal HIGELIN pour avoir dirigé ce travail et prodigué de si nombreux conseils forts utiles tout au long de ces trois années. Je remercie également très sincèrement M. Christian CAILLOL pour tout le temps qu’il m’a accordé, pour nos nombreuses discussions techniques, et pour sa patience souvent mise à rude épreuve. Je souhaite aussi vivement remercier MM. Louis LE MOYNE et Xavier TAUZIA pour avoir accepté d’être les rapporteurs de cette étude, étant conscient de la charge de travail que représente la relecture de ce manuscrit dans le laps de temps imparti. Ces remerciements peuvent évidemment être étendus à l’ensemble des membres du jury pour le temps qu’ils ont consacré à ce travail. A Guyancourt, je tiens à exprimer ma gratitude à MM. Luc BOURGEOIS, Hubert BECHARD, Christian TAFFIN, Patrick BASTARD et bien sûr Grégoire BEDROSSIAN pour leur confiance et l’autonomie qu’ils m’ont accordées afin de mener ce travail de recherche à bien. J’aimerais de plus remercier les différents thésards Renault pour tous ces bons moments passés au travail et en dehors, merci David, Maxime, Maria, Felipe, Jamil… Un merci tout particulier à Guillaume pour son aide, ses conseils et sa générosité. A Orléans, j’aimerais remercier toute l’équipe des bancs moteurs, Julien, Benoît et Bruno, ainsi que Fabien HALTER pour son aide. Un grand merci à la directrice du laboratoire PRISME, Mme Christine MOUNAIM-ROUSSELLE, qui fait partie des personnes qui m’ont permis d’en arriver là aujourd’hui. Merci aux doctorants du laboratoire particulièrement à Jérémy et Guillaume. De manière générale, je tiens à remercier toutes les personnes qui m’ont aidé, accueilli et conseillé durant ces années. Merci à Alain MAIBOOM, à Gilles MAUVIOT, à toutes ces personnes qui m’ont permis d’avancer dans ma démarche. Enfin, merci de tout mon cœur à mes parents, à ma femme Mathilde et à mes amis pour leur patience, leur amour et leur indéfectible soutien tout au long de ces années. Table des matières TABLE DES MATIERES 1 NOMENCLATURE 9 CHAPITRE 1 CONTEXTE ET PROBLEMATIQUES 11 1.1 L’INTRODUCTION DES OUTILS NUMERIQUES DANS LES PROCESSUS DE DEVELOPPEMENT DES MOTEURS DIESEL 11 1.1.1 INTRODUCTION 11 1.1.2 LES DIFFERENTES PROBLEMATIQUES LIEES AU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE 12 1.1.2.1 La problématique environnementale 12 1.1.2.1.1 Les émissions polluantes 12 1.1.2.1.2 Les différentes normes 16 1.1.2.2 L’efficacité des moteurs à combustion interne : le premier levier de réduction de la consommation 19 1.1.2.3 Les délais et coût de développement 21 1.1.3 LE MOTEUR DIESEL 22 1.1.3.1 Son Histoire et son Principe de Fonctionnement 22 1.1.3.2 Le Déroulement d’une Combustion Diesel Conventionnelle 25 1.1.4 LES OUTILS NUMERIQUES AU SERVICE DE L’INGENIERIE 28 1.1.4.1 La Simulation dimensionnelle : 3D CFD / 2D / 1D 28 1.1.4.1.1 Présentation de l’outil 28 1.1.4.1.2 Modélisation de la combustion turbulente 29 1.1.4.1.2.1 Résolution des équations de la turbulence 30 1.1.4.1.2.2 Couplage avec un modèle de combustion 30 1.1.4.2 La Simulation 0D Système 31 1.1.4.2.1 Modélisation Système : Un enjeu majeur pour l’industrie automobile 33 1.1.4.2.2 Modélisation Système : Les principales problématiques 34 1.2 OBJECTIFS ET STRUCTURE DE L’ETUDE 36 2 1.2.1 OBJECTIFS DE CETTE ETUDE 36 1.2.2 LA STRUCTURE DE LA THESE 37 CHAPITRE 2 LA MODELISATION 0D DE LA COMBUSTION DIESEL CONVENTIONNELLE : PRISE EN COMPTE DE L’INFLUENCE DES NOUVELLES TECHNOLOGIES SUR LE DEROULEMENT DE LA COMBUSTION 39 2.1 ETUDE ET ANALYSE DE L’EXISTANT 39 2.1.1 MODELE 0D DE COMBUSTION DIESEL CONVENTIONNELLE A INJECTION DIRECTE 39 2.1.1.1 Modèle de Combustion Mathématique 40 2.1.1.2 Modèle de Combustion à Turbulence Simplifiée 42 2.1.1.2.1 Approche de Chmela et al. [58], [59] 43 2.1.1.2.2 Approche de Barba et al. [60] 44 2.1.1.2.3 Conclusion 46 2.1.1.3 Modèles de Combustion Multizone 47 2.1.1.3.1 Modèle de combustion 5 zones : Maiboom et al. [61], [62] 47 2.1.1.3.2 L’approche RK-model, [68], [69] 49 2.1.1.3.3 Modèle DMC-0D [71], [72], [73], [74], [75] 51 2.1.1.4 Synthèse 54 2.2 DESCRIPTION DU MODELE PROPOSE 56 2.2.1 INTRODUCTION ET PRESENTATION GENERALE 56 2.2.2 MODELISATION THERMODYNAMIQUE DE LA CHAMBRE DE COMBUSTION DIESEL 58 2.2.3 MODELISATION DU TAUX D’INTRODUCTION DU CARBURANT 63 2.2.3.1 Modèle de Débit Massique 64 2.2.3.1.1 Modélisation mathématique du débit hydraulique 64 2.2.3.1.2 Réduction d’un modèle physique d’injecteur 70 2.2.3.2 Modèle de Vitesse au Nez de l’Injecteur 72 2.2.4 MODELE DE SPRAY DIESEL ET ENTRAINEMENT DES GAZ DANS LA ZONE DE REACTION 74 2.2.4.1 Modèle empirique d’angle de Jet 78 2.2.4.2 Modèle empirique de pénétration vapeur maximum 79 2.2.4.3 Réécriture du modèle pour les Cas Moteurs 81 2.2.4.4 Modèle d’entrainement d’air 84 2.2.5 MODELE DE VAPORISATION DU CARBURANT 88 2.2.6 MODELE DE TURBULENCE SIMPLIFIE : MODELE A DEUX ETATS K-K SIMPLIFIE AVEC PRISE EN COMPTE DU SWIRL 94 2.2.7 MODELE DE COMBUSTION DE PREMELANGE DIESEL 106 2.2.7.1 Modélisation du Prémélange dans la Zone de Réaction : Approche à PDF Présumée 110 2.2.7.2 Modélisation de l’Auto inflammation et du taux de réaction du carburant 117 2.2.7.2.1 Modélisation du carburant 118 2.2.7.2.2 Utilisation d’une loi d’Arrhenius pour une Réaction de combustion à une Etape 121 2.2.7.2.2.1 Ecriture du taux de réaction du n-heptane 121 2.2.7.2.2.2 Modèle empirique du délai d’auto inflammation 123 2.2.7.2.3 Utilisation de la Chimie Complexe Tabulée 124 2.2.7.2.3.1 Introduction et Revue des Différentes Méthodes de Tabulation 125 2.2.7.2.3.2 Présentation de l’Outil Utilisé 127 2.2.7.2.3.3 Validation des Tables d’Auto Inflammation 133 2.2.8 MODELE DE COMBUSTION DE DIFFUSION 138 2.2.9 REPARTITION DU CARBURANT : INTERACTIONS ENTRE LES PHASES DE COMBUSTION DE PREMELANGE ET DE DIFFUSION 140 2.2.10 PRISE EN COMPTE DE L’IMPACT DE LA MULTI INJECTION 142 2.2.10.1 Introduction à la Multi Injection et sa prise en compte dans le cadre d’une modélisation 0D 142 2.2.10.2 Répartition des masses entrainées entre les différentes zones de réaction 147 2.2.10.2.1 Approche Empirique 149 2.2.10.2.2 Approche Géométrique : Impact du Swirl 153 2.2.10.3 Impact de la multi injection sur le mélange : Nouvelle équation pour la variance 160 2.3 CALIBRATION ET VALIDATION DU MODELE PROPOSE 171 2.3.1 CHOIX DES DONNEES D’APPRENTISSAGES ET METHODOLOGIE DE CALIBRATION 172 2.3.1.1 Choix des données d’apprentissage 172 2.3.1.2 Identification des pertes aux parois 181 2.3.1.3 Identification de la combustion associée à l’injection Pilote 182 2.3.1.4 Identification de la combustion associée à l’injection Pre 184 2.3.1.5 Identification de la combustion associée à l’injection Main 186 2.3.1.6 Identification de la combustion associée à l’injection After 190 2.3.2 RESULTATS SUR TOUTE LA PLAGE DE FONCTIONNEMENT MOTEUR 192 4 2.3.3 ETUDE PARAMETRIQUE : IMPACT DE LA DISCRETISATION EN RICHESSE DANS LA ZONE DE REACTION 195 2.3.4 VARIATIONS PARAMETRIQUES DES DONNEES D’ENTREES 198 2.4 CONCLUSION ET PERSPECTIVES 208 CHAPITRE 3 LA MODELISATION QUASI DIMENSIONNELLE DE LA COMBUSTION DIESEL 211 3.1 INTRODUCTION 211 3.2 ETUDE ET ANALYSE DE L’EXISTANT 212 3.2.1 MODELE DE COMBUSTION N-ZONES 212 3.2.2 MODELE DE COMBUSTION HCCI 217 3.2.3 CONCLUSION 220 3.3 DESCRIPTION DU MODELE PROPOSE 221 3.3.1 INTRODUCTION ET PRESENTATION GENERALE 221 3.3.2 MODELISATION DU JET DIESEL : APPROCHE MONO DIMENSIONNELLE 224 3.3.2.1 Description de l’approche 225 3.3.2.1.1 Géométrie des zones de réaction 225 3.3.2.1.2 Principales hypothèses 234 3.3.2.2 Etablissement des équations de conservation 237 3.3.2.3 Prise en compte de la vaporisation et résolution du système 241 3.3.2.4 Validation du modèle de jet proposé 245 uploads/Science et Technologie/ bobliographie.pdf