Simulation numérique directe pour la modélisation de la combustion Diesel dans des configurations d’injections multiples

par Eleftherios Gorgoraptis

Thèse de doctorat en Combustion

Sous la direction de Antonio Pires Da Cruz et de Jean-Baptiste Michel.

Le président du jury était Nasser Darabiha.

Le jury était composé de Antonio Pires Da Cruz, Jean-Baptiste Michel, Iyad Balloul.

Les rapporteurs étaient Pascale Domingo, Fabrice Foucher.


  • Résumé

    Le moteur à allumage par compression est incontestablement une des solutions pour réduire les émissions de CO2. L’utilisation de forts rapports de compression permet d’atteindre des rendements plus élevés que les moteurs à allumage commandé. Cependant, cette motorisation possède un certain nombre de défauts liés à l’inflammation du carburant et au contrôle du dégagement de chaleur. Ainsi, lorsque le moteur à allumage par compression est associé à un carburant Diesel et utilisant les systèmes d’injection traditionnels, les niveaux des émissions polluantes et du bruit de combustion peuvent devenir critiques. Une solution consiste à décomposer l’injection du carburant en plusieurs pulses (injections multiples) afin d’obtenir un contrôle optimal de la stratification du mélange air-carburant et du taux de dégagement de chaleur. Cette approche, rendue possible par le rail haute pression, est en train de devenir la règle dans les moteurs Diesel. Devant la complexité des phénomènes physico-chimiques rencontrés lors de de la combustion Diesel avec des injections multiples, la modélisation de celle-ci par des outils industriels telle que la modélisation 3D RANS (résolution des équations moyennes) reste un challenge. L’amélioration des modèles est donc essentielle afin de prédire le dégagement de chaleur et les émissions polluantes. Etant donné le manque de résultats expérimentaux précis, suffisamment détaillés et complets, l’amélioration substantielle des modèles reste problématique. La simulation numérique directe (DNS) est donc un outil permettant de générer des résultats détaillés et ainsi de développer et évaluer des modèles pour la simulation RANS. Dans cette thèse, différents modèles de combustion reposant sur une approche tabulée de la chimie ont été évalués afin de dégager leurs voies d’amélioration dans des configurations d’injections multiples, en ayant recours à des DNS de configurations représentatives d’injections multiples. Une base de données DNS représentative du problème a été construite, analysée et a servi ensuite de support à l’analyse approfondie des modèles étudiés. A la suite de cette analyse, certaines hypothèses sous-jacentes aux modèles ont été revisitées.

  • Titre traduit

    DNS for RANS combustion modelling in multiple injection configurations


  • Résumé

    Compression-ignition engines are widelyused, mainly due to their high thermal efficiency andconsequent low CO2 emissions compared to sparkignitionengines. However, this technology has somedisadvantages related to the limited control over autoignitionof the air-fuel mixtures and heat release rate.Hence, in compression-ignition engines at their mostbasic form, the level of combustion noise and emissionsof nitrogen oxides and particulate matter canbecome critical. An effective strategy to tackle theseproblems is to decompose fuel injection into multipleinjection pulses permitting an optimal control of theair-fuel mixture formation and, thus, of the autoignitiondelay and the heat release rate. Multiple injectionstrategies become more and more popular dueto their advantages over conventional single injectioncycles. The physical phenomena involved in suchconfigurations, however, are complex and their modellingremains challenging, especially in the context ofindustrial 3D simulation using the Reynolds-averagedNavier-Stokes (RANS) formalism. The progress ofcompression-ignition applications depends to a greatextent on the capacity of the physical models to predictheat release rate and pollutant emissions. Thelack ofa experimental results at the scale of interestorientated this study towards the use of Direct NumericalSimulation (DNS) providing a model-free insightinto the interaction between turbulent mixing and combustionchemistry. In the framework of this Ph.D. thesis,a DNS database was generated and analysed,covering a range of single and split Diesel injectionrelevantconditions. Then, different turbulent combustionmodels based on tabulated chemistry were evaluatedby comparison with the DNS results. Followingthis analysis, a new modelling approach adapted tomultiple injection configurations was elaborated. Finally,a strategy for the application of the new modellingapproach in 3D RANS was proposed for prospectivemulti-injection compression-ignition engine simulationswith an improved accuracy.


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