Large-eddy simulation and spatio-temporal analysis of internal engine aerodynamics - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Large-eddy simulation and spatio-temporal analysis of internal engine aerodynamics

Simulation aux grandes échelles et analyse spatio-temporelle de l'aérodynamique interne moteur

Résumé

Among the possible use of hydrogen as a future vector for renewable energies, its combustion either as a pure compound or as an additive inside a spark-ignited engine is seen as a possible way to reach ambitious goals for road transport total reduction of emissions (greenhouse gas effects and harmful pollutants). Strategies such as ultra-lean combustion have enormous potential to improve thermal efficiency and reduce emissions of pollutants. However, lean burn is associated with problems such as cycle-to-cycle variations (CCV) in the combustion process, which weakens engine performance and can lead to misfires in some extreme cycles. Understanding and reducing CCV are one of the major research topics in automotive engineering. Previous studies have highlighted the importance of internal aerodynamics, characterized by a turbulent rotational flow called tumble, as one of the main CCV sources since both large- and small-scale flow structures present a certain level of variability. The objective of this thesis is to understand in more detail the role of internal aerodynamics on combustion variability. In this context, we rely on Large-eddy simulation (LES) which allows to resolve the vortices up to a certain scale. It also allows the prediction of unsteady phenomena and cyclic variability. However, due to the large amount of data generated, adapted tools are needed to identify the motion of large-scale structures and the fluctuating motion associated with turbulence, both of which can be at the origin of the cycle-to-cycle variability observed in an engine. The method proposed here is based on Empirical Mode Decomposition (EMD) which allows the extraction of the low- and high-frequency components of any signal. In this study, the method has been extended to be applied in 2D and 3D on velocity fields from LES results in complex geometries. The advantages of this method are the usage of only one velocity field contrary to more classical approaches such as POD and the dispense of a priori function contrary to wavelet or Gaussian filter type approaches. We can thus treat any velocity field during an engine cycle and have access to the variability of the overall motion between cycles, which is a major contribution to the analysis and understanding of the physical mechanisms leading to the cyclic variability of combustion. In addition, it allows to define specific descriptors of high- and low-frequency components and their variability to quantify the impact of different phenomena (valve jets, interactions with the walls, tumble motion). In terms of application, multi-cycle LES simulations of a research engine installed at TU Darmstadt have been performed on a motored case and a reactive case. The developed EMD techniques were combined with a vortex identification algorithm to show the link between the deformation of the tumble during the compression stroke and the speed of flame propagation. The role of interactions between some dominant flows during the intake phase as well as the flow deviation on the piston near the bottom dead center were also highlighted. This work has allowed the development of an innovative technique to define new descriptors of the turbulent flow in highly unsteady situations. It opens the way to further analysis of turbulent aerodynamics in order to identify mechanisms at the origin of certain undesirable phenomena for energy systems.
Parmi les utilisations possibles de l'hydrogène en tant que futur vecteur d'énergies renouvelables, sa combustion, soit en tant que carburant, soit en tant qu'additif dans un moteur à allumage commandé, est considérée comme un moyen possible d'atteindre les objectifs de réduction totale des émissions (gaz à effet de serre et polluants nocifs) du transport routier. Des stratégies comme la combustion pauvre ont un énorme potentiel pour améliorer l'efficacité thermique et réduire les émissions de polluants. Cependant, la combustion pauvre est associée à des problèmes tels que les variations cycle-à-cycle (CCV) dans le processus de combustion, ce qui pénalise le rendement moteur et peut conduire à des ratés d'allumage dans certains cycles extrêmes. La compréhension et la réduction des CCV sont un des principaux sujets de recherche en ingénierie automobile. Des études antérieures ont mis en évidence l'importance de l'aérodynamique interne, caractérisée par un écoulement turbulent tourbillonnaire appelé rouleau, comme l'une des principales sources de CCV puisque les structures de l'écoulement, tant à grande qu'à petite échelle, présentent un certain niveau de variabilité. L'objectif de cette thèse est de comprendre plus en détail le rôle de l'aérodynamique interne sur les variabilités de combustion. Dans ce contexte on s'appuie sur la simulation aux grandes échelles (LES) qui permet de résoudre les tourbillons jusqu'à une certaine échelle. Elle permet également de prédire les phénomènes instationnaires et les variabilités cycliques. Cependant, au vu de la grande quantité de données générée, des outils adaptés sont nécessaires pour identifier le mouvement des grandes structures de l'écoulement et le mouvement fluctuant associé à la turbulence, les deux pouvant être à l'origine des variabilités cycle-à-cycle observées dans un moteur. La méthode proposée ici est basée sur la décomposition en modes empiriques (EMD) qui permet d'extraire les composantes basse et haute fréquence de n'importe quel signal. Dans cette présente étude, la méthode a été étendue pour être appliquée en 2D puis en 3D sur des champs de vitesse issue de résultats LES en géométries complexes. Les avantages de cette méthode sont de n'utiliser qu'un seul champ de vitesse contrairement aux approches plus classiques comme la POD et de ne pas nécessiter de fonction à priori contrairement à des approches de type ondelette ou filtre Gaussien. On peut ainsi traiter n'importe quel champ de vitesse au cours d'un cycle moteur et avoir accès à la variabilité du mouvement d'ensemble entre les cycles ce qui est un apport majeur dans l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques conduisant aux variabilités cycliques de la combustion. En outre, cela permet de définir des descripteurs propres à ces composantes haute et basse fréquence ainsi qu'à leur variabilité pour quantifier l'impact des différents phénomènes (jets de soupapes, interactions avec les parois, mouvement du rouleau). En termes d'application, des simulations LES multi-cycles d'un moteur de recherche installé à TU Darmstadt ont été réalisées sur un cas entraîné et sur un cas réactif. Les techniques EMD développées ont été combinées avec un algorithme d'identification des tourbillons permettant ainsi de mettre en évidence le lien entre la déformation du rouleau pendant la phase de compression et la vitesse de propagation de la flamme. Le rôle des interactions entre certains écoulements dominants pendant la phase d'admission, ainsi que la déviation de l'écoulement sur le piston près du point mort bas ont également été mises en évidence. Ces travaux ont permis le développement d'une technique innovante pour définir de nouveaux descripteurs de l'écoulement turbulent dans des situations fortement instationnaires. Elle ouvre la voie à des analyses encore plus poussées de l'aérodynamique turbulente en vue d'identifier des mécanismes à l'origine de certaines phénomènes indésirables pour les systèmes énergétiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03966527 , version 1 (31-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03966527 , version 1

Citer

Zhihao Ding. Large-eddy simulation and spatio-temporal analysis of internal engine aerodynamics. Chemical and Process Engineering. Université d'Orléans, 2022. English. ⟨NNT : 2022ORLE1005⟩. ⟨tel-03966527⟩
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