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