Mesure et modélisation multidimensionnelle des transferts thermiques gaz-paroi dans le cas des moteurs à allumage commandé Measurement and Multidimensional Modeling of Gas-Wall Heat Transfers in Spark-Ignition Engines

Abstract

A cette fin, deux étapes de recherche ont été mises en oeuvre : une phase expérimentale et une phase calcul. Dans la phase expérimentale, des mesures ont été faites sur un moteur monocylindre équipé de flux-mètres à réponse rapide. Chaque flux-mètre est composé d'un cylindre d'acier, contenant deux thermocouples. Dans le but de montrer l'influence de l'aérodynamique sur les échanges thermiques, un anémomètre à Laser a été utilisé à l'aide d'une entretoise placée entre culasse et cylindre. L'entretoise comportait deux hublots et deux flux-mètres permettant la mesure simultanée des flux thermiques et des paramètres aérodynamiques à l'extérieur de la couche limite. Deux flux-mètres supplémentaires ont été placés dans la culasse et le système d'acquisition permettait d'enregistrer simultanément dix voies de mesure à chaque degré vilebrequin, parmi lesquelles deux composantes de vitesse et la pression cylindre. Une étude paramétrique a révélé les tendances suivantes : - les pertes globales aux parois au cours d'un cycle thermodynamique diminuent lorsque le régime augmente, mais la valeur maximale des flux locaux augmente en raison de l'élévation du niveau de turbulence; - le remplissage a peu d'effet sur l'aérodynamique; son influence sur les transferts thermiques est due principalement à l'augmentation de la densité des gaz, qui se traduit par une augmentation des flux. Dans la phase calcul, deux idées de base ont guidé notre travail : - pour des raisons de temps de calcul prohibitif, il est impossible de mailler la couche limite; les échanges thermiques ont donc été estimés à l'aide d'une loi de paroi; - on fait l'hypothèse que les champs locaux de densité, vitesse et turbulence conditionnent fortement les flux thermiques; ce seront les paramètres de la loi de paroi. Dans cet esprit, le modèle de transferts thermiques de DIWAKAR a été introduit dans le code multi-dimensionnel KIVA. Une formulation k-epsilon de la turbulence a été adoptée. La sensibilité du modèle aux effets de densité et de turbulence a été testée par l'intermédiaire de variations de l'avance à l'allumage et du régime. La comparaison entre mesure et simulation a montré un bon accord, tant en termes de flux thermiques locaux et instantanés, qu'en termes de bilan global. The computational fluid dynamics codes, which help to predict the behaviour of combusting gas in reciprocating engines, need, as boundary conditions for the momentum and energy equations, to approximate wall frictions and heat transfer between gas and walls. The purpose of this work is to validate a heat transfer model for spark ignited engines. Two steps of research have been worked on to meet this objective: an experimental phase and a computational phase. In the experimental phase, measurements were made on a test-engine instrumented with fast-response surface heat flux gages. Each gage consisted of a steel cylinder, containing two thermocouples. To analyze the influence of fluid dynamics on heat transfer, a Laser Doppler Velocimeter was used, by means of a spacer placed between the engine head and cylinder. The spacer was equiped with two windows and two heat-flux gages permitting simultaneous measurements of the heat flux and of the fluid dynamics outside the boundary layer. Two other gages were present in the head of the engine and up to ten data inputs could be simultaneously recorded at each crank-angle, including two velocity components and the cylinder pressure. A parametric analysis was carried out revealing the following trends:- the global heat transfer rate for a thermodynamic cycle of the engine decreases as the speed of the engine is increased, but the peak value of the wall heat-flux increases because of the increase of the turbulence level. - the volumetric efficiency appeared to have little effect on the turbulence level, and its influence on the heat transfer is mainly due to the increase of density, resulting in an increase of the heat flux. In the computational phase, the following two basic ideas guided our work:- because of prohibitive computing time and cost, the boundary layer could not be meshed; so the heat transfer was approximated by a wall function. - the local density, velocity and turbulence fields are :assumed to greatly influence the heat flux (and will be the wall function parameters)With this in mind, a heat transfer model already mentionned by DIWAKAR was introduced in the multi-dimensional code KIVA. Coupled with a k-epsilon model of turbulence, the response of this model to the density and turbulence was studied analysing the influence of spark timing and of engine speed. A comparison between measurements and computational predictions was done, showing as good agreement in terms of instantaneous and local heat-flux as in terms of global heat balance.