Modelling of high Karlovitz combustion in spark-ignition engines - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Modelling of high Karlovitz combustion in spark-ignition engines

Modélisation de la combustion à haut Karlovitz dans les moteurs à allumage commandé

Résumé

Car manufacturers aim to develop new technologies for reducing the CO2 emissions of Spark Ignition (SI) engines as emission regulations get increasingly stringent. One of the solutions found by the car manufacturers is the downsizing concept applied to SI engines, which is to reduce the displacement of the engine while increasing the specific power. Nonetheless, this concept increases the occurrence of abnormal combustions, like knock and super-knock. So, to avoid such phenomena, the combustion is diluted through exhaust gas recirculation (EGR), the rate of which is increased from 5% to 20% or even 30%. However, this recirculation increases the combustion cycle-to-cycle variability. Nowadays, the car manufacturers rely on CFD tools for designing and optimizing SI engines. However, the current models of turbulent combustion lose their predictivity when they are used to simulate a highly diluted combustion involving high turbulent intensities. Indeed, the current models were built based on the assumptions of the flamelet regime. Yet, the combustion in a diluted boosted SI engine drifts from the flamelet regime to the thin reaction zone (TRZ) regime in a Peters diagram. Thus, a numerical study using the AVBP code is proposed in this Ph.D thesis to highlight the differences between flames in the flamelet regime and flames in the TRZ regime, the aim of which is to determine a combustion model suitable for combustion in the TRZ regime based on the formalism of the coherent flame model (CFM). Direct numerical simulations (DNS) of a premixed C8H18/air flame are conducted. First, a set of flame-vortex interactions is performed to investigate the modelling of the tangential strain rate through the definition of an efficiency function. Then, interactions between a planar flame and a three-dimensional turbulent field are studied considering a forced turbulent field using a spectral method. These simulations are analysed to investigate the validity of the flame surface density (FSD) concept in the TRZ regime through the analyses of the fame surface, the flame structure, the characteristics of the flame stretch and of the displacement speed in the TRZ regime, which are considered as key factors in the modelling of highly diluted turbulent combustion. First the reaction zone is shown to remains thin for each flame, leading to focus this study on a specific iso-surface in the reaction zone and how it is affected by turbulence. Second, the displacement speed on this iso-surface shows a differentiate dependency on tangential strain rate and curvature. This dependency is modelled through two effective Markstein lengths, which depend on both turbulence intensity and preferential diffusion. Models for these lengths with respect to the Karlovitz number are proposed. This analysis of the DNS yields an extension of the CFM model to TRZ regime through the definition of a new progress variable and using a fine-grained flame surface density.Then, the transport equations of both the new progress variable and the fine-grained FSD are closed with existing models and new ones for the source terms involved. Each sub-model is compared to the DNS results through a specific post-processing method, leading to adjustment of the proposed models. The model proposed is implemented in the AVBP code. Therefore, a new relationship between the filtered and the resolved progress variable is developed. Then, a set of one-dimensional turbulent flames is performed to evaluate the proposed model and the behaviour of the sub-models with each other. The results from these simulations are compared to the DNS through the previously proposed post-processing methodology. Adjustments of the models are deduced from this analysis. Finally, a discussion on the applicability of this model to engine application is drawn.To conclude, the encouraging results from a priori and a posteriori validation show the potential of the extension of the CFM model proposed in this thesis.
Les constructeurs automobiles ont pour objectif de développer de nouvelles technologies pour diminuer les émissions de CO2 des moteurs à allumage commandé (AC) parce que les réglementations en matière d'émissions deviennent de plus en plus strictes. Une possible solution est le concept de ``downsizing'' appliqué aux moteurs AC, consistant à réduire la cylindrée du moteur tout en augmentant la puissance spécifique. Néanmoins, cette solution augmente l'apparition de combustions anormales, comme le cliquetis. Pour éviter ces phénomènes la combustion est diluée par la recirculation des gaz d'échappement. Cependant, celle-ci augmente la variabilité cycle à cycle de la combustion. Aujourd'hui, la conception et l’optimisation des moteurs AC reposent sur des outils de mécanique des fluides numériques. Cependant, les modèles actuels de combustion turbulente perdent leur caractère prédictif lorsqu'ils sont utilisés pour simuler une combustion fortement diluée dans un écoulement turbulent. Ces modèles ont été conçus en faisant l'hypothèse d'une flamme dans le régime de flammelette. Or, la combustion dans un moteur AC suralimenté et dilué change de régime de combustion correspondant au régime de flamme épaissie (FE). Ainsi, dans cette thèse de doctorat une étude numérique avec le code AVBP est présentée pour mettre en évidence les différences entre les régimes de flammelette et FE. L'objectif de cette thèse est de déterminer un modèle adapté à la combustion dans le régime FE utilisant le formalisme du modèle de flamme cohérente (CFM). Des simulations numériques directes (DNS) d'une flamme de prémélange C8H18/air sont réalisées. Une première série de DNS d’interactions flamme-vortex est effectuée dans l'optique de modéliser l'étirement tangentiel du front de flamme à travers la définition d'une fonction d'efficacité. Ensuite, les interactions entre une flamme plane et un champ turbulent 3D sont étudiées. Le champ turbulent est généré et maintenu suivant une méthode spectrale de forçage. Ces simulations permettent d'évaluer la validité du concept de densité de surface de flamme (FSD) dans le régime FE grâce à des analyses de la surface de flamme, de sa structure et des caractéristiques de l'étirement du front de flamme et de la vitesse de déplacement. Ces deux dernières grandeurs sont considérées comme des facteurs clefs pour la modélisation de la combustion turbulente fortement diluée. Premièrement, la zone de réaction reste fine pour chaque flamme étudiée, ce qui mène à analyser la flamme à travers une iso-surface particulière de cette zone de réaction. Deuxièmement, la vitesse de déplacement sur cette iso-surface présente des dépendances différentes à l'étirement tangentiel et à la courbure, qui sont modélisées à travers deux longueurs de Markstein effectives dépendant à la fois de l'intensité turbulente et de la diffusion différentielle. Des corrélations en fonction du nombre de Karlovitz sont données pour ces longueurs. Cette analyse de DNS permet d'étendre le model CFM au régime FE à travers la définition de nouvelles variable de progrès et FSD. Les équations de transport de ces nouvelles variables sont ensuite déterminées. Leur fermeture est présentée en utilisant de nouveaux modèles ou existants pour les termes sources. Ces sous modèles sont comparés a priori aux résultats de DNS permettant de valider et d'ajuster les sous-modèles. Le modèle CFM étendu au régime FE est alors implémenté dans le code AVBP grâce au développement d’une nouvelle relation entre les variables de progrès filtrées au sens de Reynolds et de Favre. Une série de simulations de flamme turbulente monodimensionnelles est ensuite réalisée pour examiner le comportement de chaque sous-modèle lorsqu'ils interagissent entre eux. Une analyse de la sensibilité du modèle à certains paramètres permet de déduire quelques ajustements. Finalement, les résultats encourageant des tests a priori et a posteriori montrent le potentiel de l'extension du model CFM proposée.
Fichier principal
Vignette du fichier
97329_SUILLAUD_2021_archivage.pdf (9.9 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03279553 , version 1 (06-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03279553 , version 1

Citer

Edouard Suillaud. Modelling of high Karlovitz combustion in spark-ignition engines. Chemical and Process Engineering. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST016⟩. ⟨tel-03279553⟩

Collections

IFP STAR
169 Consultations
99 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More