LES Moteurs

La LES en simulation 3D moteur

L'approche 3D utilisée à ce jour pour les simulations de la combustion dans les moteurs à piston est de type RANS (pour Reynolds Averaged Navier Stokes). L'hypothèse sous-jacente est que le fonctionnement du moteur peut être décrit statistiquement par un seul cycle moteur moyen. Conceptuellement, celui-ci est le résultat d'une moyenne de phases d'un grand nombre de cycles consécutifs. En simulation 3D, la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées statistiquement permet alors d'obtenir, via la réalisation d'un seul cycle moteur, une évaluation directe des principales caractéristiques du cas considéré (travail fourni, polluants générés). Avec les puissances de calcul actuelles, des simulations RANS peuvent être réalisées en quelques heures, ce qui permet une utilisation industrielle. Elles permettent alors de comparer entre elles différentes configurations, et d'aider à identifier celles présentant le meilleur potentiel
 
Malgré leur intérêt comme outil de conception et d'optimisation avancé, les approches de type RANS présentent des limitations inhérentes à leurs hypothèses de base. En particulier, elles ne sont applicables qu'aux cas présentant de faibles variations autour de la moyenne. Or, en présence de fortes variations cycliques comme celles qui sont l'objet du présent projet, une telle hypothèse n'est pas vérifiée, un cycle moyen ne pouvant alors plus suffire à décrire correctement les caractéristiques du cas étudié.
 
Depuis quelques années, l'évolution continuelle des puissances de calcul (et en particulier des machines parallèles) a permis de développer une nouvelle approche de la simulation 3D, basée sur la technique de la Large Eddy Simulation (LES). Celle-ci n'est pas basée sur une approche statistique, mais consiste à distinguer les échelles de l'écoulement résolues sur le maillage de calcul, de celles qui ne le sont pas, et qu'il faut donc modéliser. Formellement, ceci est réalisé via l'application d'un filtrage spatial aux équations de Navier-Stokes, les équations résultantes étant résolues par des méthodes numériques présentant une qualité suffisante, combinées avec des modèles dits de sous-maille permettant de rendre les effets des phénomènes non résolus.
Cette approche a fait ses preuves pour la prédiction de phénomènes instationnaires inaccessibles aux méthodes RANS, telles les instabilités acoustiques dans les brûleurs des turbines à gaz notamment.
 
La LES peut être considérée comme une "expérience numérique" qui permet d'approfondir les résultats obtenus en RANS, en fournissant une vue détaillée sur des réalisations filtrées d'un ou plusieurs cycles moteur afin d'optimiser entre autres les aspects variabilités cycliques ou transitoires entre points moteur stables.

Le code LES moteur AVBP

Le code LES AVBP est co-développé par IFP Energies nouvelles et le CERFACS et est leur co-propriété. Ses caractéristiques principales sont :
• solveur NS instationnaire, compressible et réactif;
• schémas convectifs d'ordre 2 et 3;
• maillages non-structurés fixes et mobiles quelconques;
• solveur parallèle hautement efficace sur machines massivement parallèles, basé sur une décomposition de domaine;
• choix de modèle de turbulence: Smagorinsky, Wale, ksgs;
• choix de modèles de combustion turbulente: TFLES, CFM-LES;
• interfaçage en pre- et post-processing vers la plupart des logiciels commerciaux;

Résultats récents: le projet LESSCO2

Dans le cadre du projet CE LESSCO2 coordonné par IFP Energies nouvelles (http://project.ifp.fr/lessco2); une première simulation LES de 9 cycles consécutifs d'un moteur à allumage commandé ont été réalisés à l'aide du code AVBP, en étroite collaboration entre IFP Energies nouvelles et le CERFACS.
Le temps de calcul d'un cycle complet (720°DV) a été réalisé en 120h sur 32 processeurs Xeon d'un cluster Linux.

Visualiser l'animation d'un cycle complet (format Flash)

 
Résultats de simulations dans un moteur 4 soupapes IIE XU10 de PSA réalisés par IFP Energies nouvelles dans LESSCO2 :

A gauche: front de flamme moyenné obtenu en RANS; aucun plissement du front par la turbulence.
A droite: résultat LES au même angle; le front est plissé par les plus grandes structures, et ~25% de la surface totale de flamme est résolu.

Résultats d'une simulation LES de 9 cycles consécutifs dans un moteur 4 soupapes IIE XU10 de PSA réalisés par IFP Energies nouvelles dans LESSCO2.

A gauche: les courbes de pression cylindre simulées s'inscrivent dans l'enveloppe expérimentale.
A droite: les variations de travail simulées reproduisent qualitativement les séquences mesurées.
La base de donnée expérimentale XU10 ne contient pas d'étude détaillée des variations cycliques.