Confrontation avec le numérique

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3.3 Évaluation du code

4.2.6 Confrontation avec le numérique

L’objectif principal du projet SIMBA est la création d’un modèle numérique de toute la boucle d’air. Nos différents types de mesures doivent soit initier des modèles, soit ser-vir pour des confrontations de résultats. Ici, avant de comparer nos résultats de PIV, nous présentons succinctement des modèles et des mesures complémentaires que nous avons réalisées pour initier ceux-ci.

Les résultats issus de simulations numériques sur le répartiteur d’admission ont été ob-tenus par la société Mark IV. Un modèle numérique 1D de la boucle d’air complète a été utilisé pour déterminer les conditions initiales d’un modèle 3D du répartiteur d’admission.

Afin d’obtenir un modèle 1D le plus précis possible, les conditions limites de celui-ci ont en revanche été fixées à partir des mesures rapides de pression et de température que nous avons enregistrées tout au long de la boucle d’air.

-360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360 degr´e vilebrequin

−40

−30

−20

−10 0 10

vitesse moyenne(m/s)

tr/min Nm0%egr tr/min Nm 26%egr tr/min Nm31%egr tr/min Nm 40%egr

2000 70

70 70 70 2000

2000 2000

figure 4.20 – Comparaison de 4 ouvertures de la vanne EGR dans la même tubulureT1, pour un régime de2000tr/minet70Nm.

4.2.6.1/ MESURES COMPLÉMENTAIRES

En plus des résultats de vitesse obtenus par PIV, des études parallèles ont permis d’autres explorations de la boucle d’air. Ainsi, des mesures de pression et température rapides ont été effectuées sur un grand nombre de points de la boucle d’air.

Nous présentons les mesures de températures et de pressions rapides en décrivant au-paravant les emplacements de ces capteurs sur la boucle d’air, les systèmes d’acquisition et les capteurs utilisés. Dans ce rapport, nous nous limiterons à montrer en annexe les résultats de pression et de température pour les tubulures du répartiteur d’admission.

Emplacements des capteurs.

Le schéma sur la figure 4.21 montre les emplacements des capteurs de pression et de température rapides le long de la boucle d’air.

Un capteur de pression rapide et un capteur de température rapide sont installés sur chacun de ces emplacements et forment un couple. Les emplacements sont choisis de manière à obtenir des mesures en amont et en aval des composants auxiliaires de la boucle d’air. Ils sont répartis ainsi :

– en amont du compresseur, et en aval de ce dernier ce qui représente l’amont de l’échangeur ;

– en aval de l’échangeur où ils sont placés soit dans le conduit le reliant au répartiteur, soit sur la cellule de PIV lorsque celle-ci est installée ;

– huit couples sur les huit tubulures du répartiteur d’admission donnant également les

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figure 4.21 – Emplacement des capteurs de pression et de température rapides sur la boucle d’air.

mesures en amont des cylindres ;

– quatre couples en aval des cylindres dans les quatre tubulures situées avant le collec-teur d’échappement ;

– deux couples en amont et en aval de la turbine ; – un dernier sur le circuit EGR.

Station d’acquisition.

Trois châssis d’acquisition National Instrument®permettent d’obtenir les signaux des cap-teurs. Ils sont contrôlés par des interfaces Labview®avec un même mode de déclenche-ment qui leur permet d’être synchronisés. Un des châssis est utilisé pour enregistrer les signaux des capteurs de température. Les autres enregistrent les signaux des capteurs de pression, ainsi que ceux liés aux mesures de PIV (Qswitch) et ceux du moteur (si-gnal point mort haut et vitesse du moteur). De cette manière, toutes les mesures sont synchronisées.

Capteurs de température.

Les capteurs de températures ont fait l’objet d’une étude complète lors du projet SIMBA sous la forme d’une thèse spécifique. Des micro-thermocouples sont conçus spécifique-ment pour ce projet. Ces thermocouples de type K bénéficient d’une technologie de fa-brication par un dépôt en couches minces pour réaliser les jonctions. Ils ont reçu un trai-tement spécifique au tungstène notamment leur permettant de résister aux températures maximum de la boucle d’air. Et ils sont élaborés sur mesure afin de pouvoir s’intégrer aux différents composants avec un minimum d’intrusion tout en assurant l’étanchéité tout en résistant aux vibrations du moteur et aux efforts engendrés par les écoulements. Chacun de ces thermocouples est étalonné au laboratoire. Des résultats de températures rapides sont donnés en annexe C.

Capteurs de pression.

Les capteurs de pression sont des capteurs commerciaux de marque Kulite®. Plusieurs types de capteurs et plusieurs gammes de mesure sont utilisés selon le positionnement auquel ils sont destinés. La plage de pression à laquelle chaque capteur est soumis constitue le premier critère de sélection du capteur après son aptitude à répondre rapi-dement aux fluctuations de pression. D’autre part, les capteurs appliqués sur les zones chaudes de la boucle d’air sont refroidis en continu par un circuit d’eau froide. Ces sondes mesurent la pression statique car elles sont positionnées de manière affleurante à l’écou-lement. Enfin, chaque capteur est étalonné au laboratoire avant son implantation sur le banc moteur. Des exemples de résultats sur les pressions statiques rapides sont donnés en annexe D.

4.2.6.2/ MODÈLE1D

Le logiciel utilisé pour construire le modèle 1D est GT-Power. La boucle d’air dans son en-semble, ainsi que la combustion dans les cylindres sont pris en compte. Ce modèle retient les différents critères géométriques, comme les diamètres, les longueurs, les volumes ou les angles des différents composants. De plus, pour chaque composant, des paramètres sont définis sur les échanges thermiques et les pertes de charge. Les échanges ther-miques sont modélisés par la résolution numérique des températures de parois, par les échanges thermiques autour des cylindres et par un modèle de combustion adapté. Pour chaque composant, la perte de charge a été mesurée sur un banc d’essai correspondant, puis intégrée au modèle sous forme de coefficients. Le régime moteur, lui, a été intégré en s’appuyant sur des résultats issus d’expériences (mesures de la vitesse du moteur, des temps d’injections...). Enfin, la cartographie moteur a aussi été prise en compte afin d’obtenir des simulations d’écoulement dans la boucle pour tous les degrés vilebrequin.

Une schématisation de la modélisation 1D de la boucle d’air sous GT Power est donnée en figure 4.22.

Les éléments en bleus représentent les composants à l’admission, les rouges forment ceux de l’échappement alors qu’à l’EGR ils sont en orange. Nous voyons que tous les composants principaux de la boucle d’air tels que le turbocompresseur, l’échangeur, les collecteurs d’admission et d’échappement, les soupapes ou le circuit EGR sont intégrés au modèle. De plus en jaune, tous les conduits (avec leurs formes et dimensions) rac-cordant ces composants sont également modélisés. La combustion est également prise en compte au travers des cylindres (en violet). Les injecteurs sont aussi représentés ainsi que la cartographie moteur. La turbine est régulée par un calculateur qui permet de jouer sur l’inclinaison des ailettes de la turbine, et au final sur la suralimentation. Avec ce modèle, nous avons aussi accès à différentes données moteur (entourées en vert), telles que le débit d’air à l’admission, la pression après le doseur, la pression moyenne effective dans les cylindres, ainsi que la vitesse de rotation de la turbine et l’orientation de ses ailettes. Les emplacements de capteurs de mesures rapides de pression et de température du projet SIMBA sont aussi ajoutés au modèle (points bleus et rouges).

Ensuite, les données issues de cette simulation à différents emplacements de la boucle d’air sont comparées à celles des mesures sur le banc moteur. Après avoir obtenu des résultats concordants, des profils de pression et de température sont extraits de la simu-lation. Ceux-ci servent à définir les conditions limites de la simulation 3D du répartiteur d’admission pour tous les degrés vilebrequin.

Entrée col d'entrée

Injecteur 3 Injecteur 2 Injecteur 1

Cylindre 4 Cylindre 3 Cylindre 2 Cylindre 1

Soupape

Composant de la boucle d'air froide Cylindre Mesure sur le moteur Composant de la boucle d'air chaude Autre composant Mesures de pression et

température rapide SIMBA

figure 4.22 – Schématisation de la modélisation 1D de la boucle d’air sous GT Power.

4.2.6.3/ SIMULATION 3D

Pour effectuer la simulation 3D du répartiteur d’admission, un maillage de la géométrie a été créé avec le logiciel TGrid. Il assume toutes les modifications qui ont été apportées au répartiteur pour les mesures de PIV (chapitre 2). Ce maillage comporte plus de 500000 cellules polyédriques. La couche limite a été maillée sur1mm.

Le calcul est opéré au moyen du logiciel Fluent. Les conditions aux limites sont issues de la simulation 1D. Le modèle de turbulence utilisé est un modèlek−ǫ realizable. Cinq cycles moteurs sont simulés pour initier le calcul. Les résultats sont alors obtenus lors du sixième cycle.

4.2.6.4/ COMPARAISON ENTRE LES RÉSULTATS ISSUS DE LA PIVET DES SIMULATIONS

Pour confronter les résultats numériques avec les résultats des mesures PIV, nous avons calculé la vitesse moyenne verticale dans les tubulures, au niveau des cellules de me-sure. Les résultats issus des simulations numériques sont superposés aux courbes de vitesse moyenne mesurées par PIV dans les tubulures individuelles.

Ayant trait à la tubulureT1, la figure 4.23 montre une telle comparaison pour un régime moteur de 1500tr/minet 40 Nm. Les vitesses négatives sur cette figure correspondent

40

30

20

10 0 10 20

vitesse moyenne(m/s)

-360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360 degr´e vilebrequin

1086420 lev´eede soupape(mm)

GT Power CFD

PIV

Lev´ee de soupape d’admission

figure 4.23 – Résultats des simulations numériques (1D et 3D) et des mesures PIV dans la tubulure T1 pour un régime moteur de 1500 tr/min et 40 Nm. Sous les courbes de vitesse : la loi de levée de soupape d’admission.

à un écoulement qui se dirige vers la soupape d’admission, c’est-à-dire vers le bas. Le pic principal de vitesse correspond à l’ouverture de la soupape. Les résultats du modèle 1D et du modèle 3D sont similaires. Avec une amplitude semblable, un pic principal de vitesse est situé dans les deux cas à l’ouverture de la soupape. Des pics secondaires

sont présents avec des amplitudes qui diffèrent entre les résultats de CFD et ceux issus du modèle 1D. Enfin, la position angulaire des pics de vitesse n’est pas toujours la même pour les deux modèles. Nous observons que le modèle 1D est parfois en avance sur le modèle 3D et vis versa.

Nous remarquons que les amplitudes des vitesses mesurées par PIV sont équivalentes à celles fournies par les simulations numériques. Une différence existe cependant sur la position et la largeur des différents pics. Sur les 720˚, soit les deux tours vilebrequin, la position angulaire des pics de vitesse des résultats numériques est parfois en avance ou en retard sur celle mesurée par PIV. L’ensemble de ces résultats montrent que l’objectif initial a été atteint. Il a d’ailleurs été qualifié de contribution significative à l’ensemble du projet.

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