La simulation 3D pour des moteurs moins énergivores et polluants

Un nouveau projet européen piloté par l’IFP qui s'appuiera sur l'expertise de l'IFP dans les domaines de la simulation 3D aux grandes échelles (LES) et de la simulation système, vise à limiter les impacts négatifs des variations cycliques de la combustion des moteurs sur la consommation et les émissions automobiles. Explications.

Le fonctionnement parfois instable d’un cycle à l’autre d’un moteur 4 temps, dans certaines conditions, est un phénomène dont les causes exactes restent aujourd’hui mal comprises. Face à une demande croissante de réduction de la consommation et des émissions automobiles, il est devenu nécessaire d’aller au-delà des approches classiques de contrôle pour comprendre les raisons de ce phénomène et le maîtriser. Les variations cycliques limitent en effet l’exploitation de tout le potentiel des nouveaux concepts de motorisation comme les moteurs downsizés (le downsizing consiste à réduire la cylindrée du moteur en lui associant une suralimentation adaptée pour maintenir des performances comparables à celle du moteur d’origine tout en obtenant des gains en consommation et en émissions de CO2).Pour améliorer, de façon significative, la compréhension et la modélisation des variations cycliques dans les principaux types de moteurs à allumage commandé en vue d’une limitation des impacts négatifs de ces phénomènes sur la consommation et les émissions polluantes, le projet de recherche européen LESSCCV (Large-Eddy & System Simulation to predict Cyclic Combustion Variability in gasoline engines) qui a été sélectionné dans le cadre du 7ème PCRD, vient de démarrer. D’une durée de 3 ans, pour un budget de 3,2 M€, dont près de 2 M€ de subvention de la Commission européenne, ce projet coordonné par l’Institut Français du Pétrole (IFP) rassemble 7 autres partenaires, centres de recherche, éditeurs de logiciels et universités : AVL List GmbH (Autriche), FEV Motorentechnik GmbH (Allemagne), LMS-Imagine (France), Ricardo UK Limited (Royaume-Uni), Université Technique de Prague (Rép. Tchèque), Polytechnique de Milan (Italie), University of Western Macedonia (Grèce). Les travaux menés dans le cadre de LESSCCV s’appuieront, en particulier, sur l’expertise de l’IFP dans les domaines de la simulation 3D aux grandes échelles « Large Eddy Simulation » (LES) et de la simulation système. Pour le faire, l’Institut utilisera un supercalculateur disposant de 1832 processeurs, avec une puissance totale de 17 Teraflops.

Simulation 3D : les approches complémentaires RANS et LES

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. Elle 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. En fournissant des informations détaillées non accessibles via les approches classiques, la LES permettra d’acquérir une compréhension de base des interactions entre les nombreux phénomènes physico-chimiques impliqués dans l’apparition des variations cycle-à-cycle des moteurs. Cette compréhension pourra ensuite être capitalisée sous forme de modèles qui, intégrés dans des codes de simulation système, permettront de reproduire les effets de ces variations cycliques. Ces outils de simulation système serviront à développer et tester des stratégies de contrôle-commande visant à limiter les impacts négatifs des variabilités qui n’auront pu être éliminées par optimisation de la conception de la chambre de combustion.