Modélisation numérique des phénomènes se déroulant lors de l’inflammation initiale du mélange dans un moteur à allumage commandé

Bigot, Lilian (2022). Modélisation numérique des phénomènes se déroulant lors de l’inflammation initiale du mélange dans un moteur à allumage commandé. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La décharge électrique générée par une bougie d’allumage est un phénomène complexe étudié de manière expérimentale et numérique à partir de la fin du XXe siècle bien que son principe soit utilisé dans les moteurs à allumage commandé dès son invention dans les années 1860. Les premières études numériques sont peu détaillées et sont restreintes par une utilisation limitée des modèles 1D et 2D. Plusieurs dizaines d’années de modélisation plus tard, le phénomène est mieux compris et exploité afin de réduire les émissions polluantes et optimiser au mieux les paramètres influençant la décharge et l’inflammation qui s’en suit. Les améliorations des techniques de calcul permettent désormais de développer des modèles plus complexes en 3 dimensions afin d’étudier les zones encore mal comprises des décharges électriques.

Cette étude a pour objectif de modéliser une décharge électrique et l’inflammation initiale du mélange qui s’en suit. Les équations de Navier-Stokes dans le cadre d’un écoulement compressible, laminaire et instationaire sont résolues par un modèle numérique réalisé avec le logiciel Star-CCM+.

Afin de créer le modèle de décharge complet qui est utilisé pour l’étude de l’inflammation, un modèle plus simple est tout d’abord conçu afin de déterminer les paramètres d’un maillage permettant la modélisation de la décharge. Un modèle simple de décharge utilisant le front de flamme de la combustion du méthane dans l’air est ensuite utilisé afin de valider le maillage choisi. Un tout nouveau modèle de décharge basé sur l’expansion d’un cylindre de dépôt d’énergie entre les électrodes est ensuite développé. Différents transferts de chaleur à la bougie d’allumage sont ensuite testés et comparés durant une décharge. La condition de transfert de chaleur alliant condition adiabatique et isotherme permet d’obtenir les résultats les plus convaincants au regard de la forme et du développement de la flamme mettant en évidence l’importance de la vorticité et des vortex d’écoulement dans la formation de la flamme. De plus, le modèle de décharge présenté dans ce mémoire est confronté avec un modèle plus classique de cylindre de dépôt à géométrie constante. Enfin, des décharges de niveaux d’énergie différents sont testées afin de comprendre le rôle des intensités d’écoulement sur la structure de la flamme. Il en est conclu qu’une décharge plus énergétique accélère le développement de la flamme, mais intensifie également la vorticité en sortie des électrodes.

Titre traduit

Numerical modelling of the spark discharge ignition of a méthane – air mixture

Résumé traduit

The spark discharge produce by a spark plug is a complex phenomenon studied experimentally and numerically since the end of the 20th century, although his principle has been used inside spark-ignition engines since its creation in 1860. The first numerical studies aren’t so much detailed and are limited by the use of 1D and 2D models. Some decade later, the phenomenon is better understood and exploited to be useful in reducing polluting gaz emissions and optimizing the ignition and discharge parameters. Improved modeling techniques now allow the development of more complex 3D models to study some unknown processes of spark discharges.

The goal of this study is to model a spark discharge and the following ignition of the mixture. The Navier-Stokes equations are solved by the Star-CCM+ software with a compressible, laminar and unsteady numerical model.

In order to create the full complex discharge model used for the ignition study, a much simple model is first designed to determine the mesh parameters needed to modeling the discharge. A model using the flame front of the methane air combustion is then used to validate the mesh. A new discharge model is developed based on an energy deposition cylinder growing with variable radius. Different heat transfers to the spark plug are then tested and compared during a discharge. The heat transfer condition combining adiabatic and isothermal conditions provides the most convincing results with regard to the shape and development of the flame, highlighting the importance of vorticity and flow vortices in the creation of the flame. Furthermore, the discharge model presented in this study is confronted with a more classic model of constant geometry deposition cylinder. Finally, different energy levels of discharges are tested in order to understand the role of flow intensities on the structure of the flame. It is concluded that a more energetic discharge accelerates the development of the flame but also intensifies the vorticity at the outlet of the electrodes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend les références bibliographiques (pages 109-116).
Mots-clés libres:	décharge électrique, modélisation 3D, inflammation, transfert de chaleur, énergie de décharge
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	02 févr. 2023 16:40
Dernière modification:	02 févr. 2023 16:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3143

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