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Utiliser STAR-CCM+ pour comprendre la chimie détaillée dans le processus de combustion
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Utiliser STAR-CCM+ pour comprendre la chimie détaillée dans le processus de combustion

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Les performances en matière d’émissions et les mesures en cycles de conduite pour les véhicules particuliers à moteur diesel ont récemment fait grand bruit dans les médias. Les discussions soulignent l’importance des performances et de la réduction des émissions mais révèlent également le défi que ces aspects posent. Le fait que certains des plus grands constructeurs automobiles au monde aient du mal à respecter les limites d’émissions montre à quel point il est difficile de trouver une solution.

Les émissions sont des sous-produits d’un processus chimique et pour comprendre, prévoir et concevoir des véhicules conformes, il est nécessaire de bien comprendre le parcours chimique sous-jacent. Le but de cet article est de présenter les outils disponibles pour faciliter et rationaliser la compréhension et la prévision de la chimie de combustion. Voici l’histoire de Jane, une ingénieure imaginaire de conception de chambre de combustion, qui présente les défis quotidiens qu’elle doit relever.

Voici Jane, une ingénieure combustion et utilisatrice de STAR-CCM+

Jane vient d’être recrutée en tant qu’ingénieure de conception de chambre de combustion chez CombustionCorp, une entreprise qui commence tout juste à utiliser la simulation de dynamique des fluides (CFD) pour une grande partie de ses projets de développement, notamment pour la conception des chambres de combustion. La première tâche attribuée à Jane consiste à effectuer des recherches pour améliorer la conception d’une chambre de combustion pour moteur à gaz naturel. Avec STAR-CCM+®, elle peut configurer les paramètres géométriques et physiques en choisissant le modèle de combustion Eddy Break Up (EBU) standard. Elle décide, pour commencer, de choisir une approche simplifiée ne modélisant qu’une seule réaction globale car elle subit la pression de ses supérieurs qui exigent que le travail soit fait rapidement. Elle obtient un champ d’écoulement et de température et vérifie que les résultats obtenus sont exacts. Ensuite, elle commence son travail de conception à l’aide d’Optimate+TM. Elle est en mesure d’améliorer automatiquement la conception en optimisant le positionnement de l’injecteur de carburant.




Quelques jours plus tard, un scientifique du laboratoire lui apprend que la chambre de combustion qu’elle a conçue se comporte différemment selon les qualités de gaz naturel. Elle se demande si elle doit envisager une approche plus complexe et commence à se poser des questions…

Pourquoi la chambre de combustion se comporte-t-elle différemment selon les qualités de gaz naturel ?

Les différentes qualités de gaz naturel se distinguent par leur teneur en hydrocarbures longs. Le gaz naturel de haute qualité est principalement composé de méthane, tandis que le gaz naturel de basse qualité inclut quelques pourcents d’éthane, de propane et de butane. Les hydrocarbures longs se fragmentent plus facilement que le méthane. Par conséquent, le gaz naturel de basse qualité s’enflamme plus rapidement.

Comment l’avance à l’allumage affecte-t-elle le comportement global de combustion ?

Pour comprendre cela, Jane étudie les effets chimiques dans un environnement isolé, en éliminant l’influence des champs d’écoulement. Pour ce faire, elle découvre qu’elle peut utiliser DARS. DARS est un outil autonome de CD-adapco qui permet l’analyse des réactions chimiques dans des réacteurs 0D et 1D idéaux. L’outil peut lire et analyser des suites de réactions chimiques, par exemple pour la combustion des hydrocarbures et les processus catalytiques dans des systèmes de post-traitement.

Jane ouvre DARS et consulte la chimie standard fournie pour le gaz naturel. Puis elle connecte plusieurs réacteurs différents au module de lecture :

  • Flamme en propagation libre : ce module calcule la vitesse de flamme laminaire qui est une propriété importante pour la propagation de la flamme et donc pour le comportement de la combustion dans une chambre. Le module calcule également les profils d’espèces et la température de flamme.
  • Pression constante : ce module calcule le délai d’inflammation ainsi que les profils d’espèces et les propriétés thermodynamiques d’un événement d’auto-inflammation dans des conditions de pression constante homogène. Il peut également être utilisé pour calculer la production d’émissions.
  • Bibliothèque de flammelettes : ce module calcule également les espèces et les profils de température dans ma flamme de diffusion ainsi que la limite d’extinction.
  • Équilibre : ce module calcule les espèces et la température d’équilibre.
Interface utilisateur DARS

Pour chaque module, Jane teste deux qualités différentes de carburant dans DARS :

  • Méthane pur pour simuler un gaz naturel de très haute qualité,
  • Méthane mélangé à quelques pourcents d’hydrocarbures plus longs (C2-C4).

Elle calcule tout d’abord la vitesse de flamme laminaire pour une plage de richesse. La vitesse de flamme laminaire est la vitesse d’une flamme se propageant librement dans des conditions de pré-mélange. Elle trouve une vitesse de flamme supérieure d’1 cm/s pour le mélange de faible qualité. Elle se demande si cela a des conséquences sur sa conception…

Quelle est l’implication d’une plus grande vitesse de flamme pour la chambre de combustion ?

Jane pense que cela augmente le risque de retour de flamme dans la chambre de combustion. Elle remarque également que dans des conditions très pauvres, la vitesse du carburant au méthane pur est environ 14 % inférieure à celle du carburant de basse qualité, ce qui indique que le gaz naturel de haute qualité favorise davantage le décrochage de flamme en conditions pauvres.

Vitesse de flamme laminaire en fonction de la richesse

Pour comprendre le comportement en cas de combustion diffusante, elle calcule une bibliothèque de flammelettes pour chaque composition de carburant. Une flammelette est une flamme de diffusion laminaire idéale et une bibliothèque de flammelettes est un ensemble de flammelettes pour divers taux de dissipation (mélange) scalaires. Elle observe que la température maximale dans la flammelette est environ 30 K plus haute pour le carburant de basse qualité à un taux de dissipation scalaire élevé. Cela rend la flamme de gaz naturel de haute qualité plus sensible à l’extinction. Elle note que le taux de dissipation scalaire d’extinction est 41/s pour le carburant de basse qualité et de 35/s pour le carburant de haute qualité. Le taux de dissipation scalaire d’extinction est le taux de mélange auquel la flamme de diffusion est soufflée.

Température de flammelette

Jane calcule le délai d’inflammation pour comprendre l’inflammabilité et pour évaluer la tendance à la pré-inflammation dans la zone de mélange de la chambre de combustion. Elle crée un balayage paramétrique (appelé multi-run dans DARS) avec le méthane comme carburant et un balayage sur toute la gamme de richesse étant donné la température d’entrée et la pression ambiante. Après quelques secondes, les calculs sont terminés et elle peut observer l’inflammation du mélange. Elle remarque que le délai d’inflammation est diminué d’environ 25 % pour le gaz naturel de basse qualité, ce qui va de pair avec un risque accru de pré-inflammation dans la zone de mélange.

Inflammabilité pour différentes qualités de gaz naturel

À partir des calculs d’équilibre, elle observe que la température adiabatique de flamme pour le gaz naturel de basse qualité est environ 5 K plus élevée que pour le gaz naturel de haute qualité. En voyant quel effet sur le comportement de combustion peut avoir un très léger changement dans la composition du carburant, elle comprend qu’elle doit poursuivre ses recherches dans les simulations CFD afin de quantifier l’effet sur le comportement de combustion. Elle doit à présent trouver comment faire et se demande…

Comment prendre en compte les différents mélanges de carburants dans mes calculs CFD ?

Jane réalise qu’elle peut le faire en utilisant le modèle FGM (Flamelet Generated Manifold) dans STAR-CCM+ qui inclut l’intégralité de la chimie détaillée à taux fini sans compromettre la vitesse d’exécution. L’effet des différents mélanges de carburant est pris en compte par la création d’une bibliothèque FGM pour chaque mélange de carburant. La bibliothèque FGM est générée à partir de la chimie détaillée.

Comment obtenir une bibliothèque FGM pour mes conditions de chambre de combustion pour STAR-CCM+ ?

Jane découvre qu’elle peut utiliser DARS pour cela aussi. Elle ouvre son projet DARS et déplace un module de génération de bibliothèque FGM sur le plan de travail, configure les calculs et exécute la génération de bibliothèque. Elle crée un ensemble de bibliothèques FGM pour les différents mélanges de gaz naturel et les utilise dans ses calculs CFD en ajoutant les différentes qualités de carburant à ses optimisations Optimate+. Elle trouve une conception qui convient également pour le gaz naturel de basse qualité et la fournit aux ingénieurs de laboratoire pour qu’ils la testent.

Alors qu’elle leur fait part de ses recherches, ses collègues sont très intéressés par les variations de comportement et veulent comprendre pourquoi cela se produit.

Comment comprendre l’effet des variations du mélange de carburant ?

Pour ce faire, elle exécute à nouveau le cas du réacteur dans des conditions de pression constante homogène avec le gaz naturel de basse qualité et le méthane seul et vérifie l’analyse de sensibilité des espèces. Les résultats pour le méthane pur sont les suivants :

Sensibilité des espèces pour la combustion de gaz naturel de haute qualité

Comme prévu, le méthane et l’oxygène sont les espèces dominantes pour le processus de combustion. Ensuite, elle lance la même analyse de sensibilité pour le gaz naturel de basse qualité :

Sensibilité des espèces pour la combustion de gaz naturel de basse qualité

Le propane ne constitue que 1,5 % du mélange de carburant mais il affecte la combustion presque autant que le méthane. Le butane, qui compose seulement 0,3 % du mélange, a également un effet significatif sur la combustion. Cela montre que les hydrocarbures plus longs ont un effet considérable. Pour comprendre les réactions qui sous-tendent ce comportement, elle évalue leur sensibilité. Elle remarque que la dissociation du propane et celle du butane sont deux processus très importants, outre les réactions d’oxydation :

Sensibilité des réactions pour la combustion de gaz naturel de basse qualité

Grâce aux analyses de sensibilité, aux graphiques sur le délai d’inflammation et aux simulations CFD, Jane dispose désormais de toutes les ressources nécessaires pour expliquer à ses collègues ce qui se passe lors de ce processus.

Après quelque temps, l’ingénieur de laboratoire revient et l’interroge au sujet des émissions. Pour certains points de charge, les émissions de carbone sont à un niveau trop élevé. Peut-elle relever ce nouveau défi ?

Comment améliorer les performances en matière d’émissions ?

Pour mieux comprendre les émissions de carbone, Jane lance DARS et exécute un ensemble de réacteurs dans des conditions de pression constante homogène à une température constante pour créer une cartographie des émissions :

Émissions de monoxyde de carbone exprimées en fonction de la température et du ratio d'équivalence

Sur cette cartographie, elle peut voir la production de CO pour différentes richesses et différentes températures. En comparant la fraction de mélange et le champ d’écoulement de température en CFD, elle découvre que sa chambre de combustion fonctionne dans la zone de production du CO dans certaines zones riches en carburant pour la plage de charge indiquée par son collègue. Elle doit améliorer le mélange dans ces zones et définit donc une contrainte sur la richesse maximale dans ces régions pour la boucle d’optimisation suivante. Elle parvient à réduire le CO en diminuant un peu l’efficacité et entreprend d’étudier le juste compromis entre émissions de CO et efficacité de combustion. Pour mieux comprendre la production de CO, elle ajoute cette espèce aux espèces analysées dans sa bibliothèque FGM. Elle peut à présent étudier directement la production de CO dans sa simulation CFD.

Fraction massique des CO dans une simulation en four verrier à l'aide du modèle de combustion FGM

Enfin, pour pleinement saisir les effets de la chimie détaillée, elle sélectionne l’un des cas et applique l’option Chimie complexe dans STAR-CCM+ afin d’effectuer une simulation CFD complète avec le mécanisme chimique utilisé dans DARS. Cela fournit un bon cas de référence par rapport aux autres modèles de combustion. Elle convainc son supérieur hiérarchique que ces simulations fourniront des résultats bien plus précis, même si elles prennent davantage de temps. Après tout, l’entreprise ne voudrait pas être pénalisée pour non-conformité. Si tout ce qu’il faut pour cela, c’est allonger le temps de calcul, le prix à payer est raisonnable.

DARS permet non seulement d’effectuer les calculs chimiques complexes décrits dans cet article mais également de :

  • Générer des bibliothèques de combustion et d’émission pour la chambre de combustion moteur :
    • ECFM-3Z TKI
    • ECFM-CLEH TKI + Équilibre
    • PVM-MF
    • Suie
  • Calculer l’épaisseur de flamme laminaire
  • Calculer la chimie de surface et de phase de gaz dans des catalyseurs (DOC, TWC, DPF, …)

Source : CD-adapco

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