Intèrêt et faisabilité de la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles.

Abstract

Avec la sévérisation des normes environnementales, les constructeurs automobiles sont amenés à développer des moteurs consommant et polluant moins. Ces nouveaux moteurs fonctionnent avec des stratégies de combustion de plus en plus complexes, qui nécessitent une maîtrise très fine du mélange air/carburant et de l'aérodynamique interne. Les outils d'aide à la conception utilisés jusqu'alors, comme les bancs d'essai moteur ou les calculs 3D RANS, ne permettent plus de répondre à toutes les problématiques rencontrées lors du développement de ces moteurs. Dans ce contexte, la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un outil très prometteur pour la mise au point des moteurs modernes car elle permet d'accéder aux instationnarités de l'écoulement. Ce travail de thèse a consisté à appliquer la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles, en montrant son intérêt, et, en développant des méthodologies de calcul. Dans un premier temps, des calculs sont réalisés dans des bancs volutes stationnaires afin de déterminer leur perméabilité (ou perte de charge) et leur nombre de swirl. Plusieurs bancs volutes sont ainsi étudiés par difficulté croissante au niveau de leur géométrie et de l'écoulement les traversant. Les résultats LES pour chaque géométrie montrent un accord satisfaisant avec les mesures expérimentales correspondantes. La LES a permis pour la géométrie la plus complexe d'analyser finement la typologie de l'écoulement, engendrée par deux conduits de forme particulière et son évolution avec la levée de soupape. Dans un deuxième temps, un modèle d'allumage (ADEL) est couplé au modèle de combustion turbulente TFLES. Ce dernier est ensuite adapté au contexte moteur. Le développement de ces deux modèles a permis de simuler la phase d'initiation et de propagation d'une flamme dans un moteur à essence à injection indirecte. Quatre cycles du même moteur sont ensuite enchaînés. Chacun d'eux est viable d'après les mesures expérimentales, mais chaque cycle diffère des autres. Les variabilités cycliques sont ensuite analysées en terme de mélange, d'aérodynamique interne, de combustion et de rendements.