Development of meshless methods and application to numerical simulation of internal aerodynamic combustion engine

par Yohan Blacodon

Thèse de doctorat en Énergétique et mécanique des fluides

Sous la direction de Bruno Scheurer.

Soutenue en 2011

à Paris 6 .

mots clés

• Mécanique des fluides
• Compressibilité
• Turbulence

Titre traduit

Développement de méthode sans maillage et application à la simulation numérique de l'aérodynamique interne des moteurs à combustion

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Résumé

La simulation numérique de l’aérodynamique interne des chambres de combustion de moteurs automobiles est caractérisée par des déplacements complexes d’éléments mobiles (piston, soupapes d’admission et d’échappement,. . . ) et par de fortes variations volumétriques, qui causent régulièrement des problèmes numériques avec les méthodes classiques utilisant des maillages du domaine de calcul. Avec ces méthodes (EF, VF), qui utilisent des éléments polyhèdriques (hexahèdres, tétrahèdres, prismes,. . . ), il est nécessaire de changer périodiquement le maillage, afin de s’adapter à la nouvelle géométrie. Cette étape de remaillage est très fastidieuse et coûteuse en terme de temps ingénieur et peut réduire la précision des calculs numériques par un excès de viscosité numérique produite durant le processus d’interpolation des variables, d’un maillage à un autre. Récemment, la communauté des chercheurs a renouvelé son intérêt pour le développement d’une génération de méthodes numériques permettant de s’abroger des problèmes rencontrés avec les méthodes classiques. A travers la large variété de méthodes innovantes sans maillage, la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), semble être la plus adaptée à la modélisation de la dynamique des fluides, qui est généralement la plus étudiée. La méthode SPH est utilisée dans divers domaines, tels que l’astrophysique, l’hydrodynamique, la mécanique des solides,. . . Mais à nôtre connaissance il n’existe pas à ce jour de code SPH dédié à l’aérodynamique interne des moteurs à combustion, ou à des écoulements fortement compressible en milieu confiné. Ainsi une évaluation, plusieurs développements et divers tests numériques sont nécessaires afin de pouvoir juger de l’efficacité de la méthode SPH lorsqu’elle est confrontée à ce genre de problématiques. Le but de ce travail de thèse est de valider, à travers divers développement et applications, la méthode SPH pour des problèmes traitant des écoulements compressibles et turbulents. Ainsi, partant du code SPH tridimensionnel quasi-incompressible, nommé SPARTACUS-3D, et initialement développé à EDF (France), l’objectif de la présente thèse est de modifier ce code afin d’être capable de réaliser des simulations d’écoulements compressibles et turbulents caractéristiques des écoulements présents en chambres de combustion de moteurs automobiles.