Caractérisation des échelles de longueur turbulentes dans la chambre d'un moteur à combustion interne

Characterization of the turbulence length scales in an internal combustion engine

• Auteur / Autrice : Igor Lengyel
• Direction : Dany Escudié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Thermique et énergétique
• Date : Soutenance en 1995
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie laser Doppler

Moteurs à courant alternatif

Turbulence

Mots clés libres

Modélisation

Résumé

L'objectif principal de ce travail est l'analyse du comportement des échelles spatiales de la turbulence dans une chambre de moteur à piston. Deux voies d'approche sont utilisées à cet effet: une approche théorique et une approche expérimentale. L'approche théorique consiste à schématiser les phases de compression et détente et en déduire l'évolution globale du champ turbulent durant ces phases du cycle moteur à l'aide de modèles statistiques de complexités variables (modèles en un point ou en deux points). On exploite dans un premier temps un modèle de turbulence homogène en un point, en présence d'une compression ou une détente uniaxiale. Une analyse des temps caractéristiques des différents mécanismes physiques justifie le bien fondé d'un calcul de distorsion rapide pendant la détente ; on en déduit l'anisotropie des échelles intégrales. L'approche expérimentale consiste a mesurer directement le coefficient de corrélation spatial des fluctuations de vitesse par la technique de l'anémométrie laser bi-points. Deux échelles intégrales ont été mesurées en différents points de la chambre durant les phases d'admission, compression et détente. L'influence de différents paramètres (régime moteur, taux de compression, mouvement de rotation) sur les échelles intégrales de longueur a été etudiée. Les comparaisons entre les évolutions expérimentales et les prédictions théoriques issues du calcul de distorsion rapide sont satisfaisantes pendant la détente ; l'importance des effets de confinement en fin de compression est également analysée. Différentes méthodes de filtrage sont comparées à la méthode statistique par moyenne d'ensemble afin de traiter les fluctuations cycliques dans une configuration bien définie, celle d'un mouvement de rotation superposé a la compression

The aim of this work is to study the behaviour of turbulence length scales in an internal combustion engine. This is achieved by using both theoretical and experimental approaches. The theoretical approach is based one-dimensional compression and expansion stroke modelling ; the evolution of turbulent ccharacteristics during these strokes of the engine cycle is deduced by using different statistical models of variable complexity (one-point and two-point models). At first we use a one-point homogeneous turbulence model in the presence of a one-dimensional compression (or expansion). The evolution of the characteristic times of different physical mechanisms predicted by this model justify the application of the rapid distortion theory (RDT) during the expansion stroke. The anisotropy of the integral length scales is deduced from the two-point model. The experimental approach consists of the direct measurement of the spatial correlation coefficient of velocity fluctuations by two-point Laser Doppler Anemometry. The spatial resolution analysis shows the limitations of the experimental set-up for the Taylor length scale measurement. Measurements are made of two different integral length scales at different points in the chamber during the induction, compression and expansion strokes. The influence of different parameters (engine velocity, compression ratio, swirl) is studied. Good agreement between experimental and theoretical (RDT) results is obtained during the expansion stroke. Wall effects at the end of compression stroke are also analysed. Different filtering methods are compared with the ensemble average method in order to remove cyclic fluctuations. Comparisons are made in a particular case where cyclic fluctuations are clearly linked to a large scale motion (swirl precession) superimposed on the turbulent field