Modélisation avancée des suies pour les moteurs aéronautiques et à piston – ASMAPE

Afin de répondre aux enjeux précédents, ASMAPE propose une démarche de recherche intégrée devant permettre d’aboutir à une modélisation avancée des suies validée pour les trois types de moteur considéré :
1/ ASMAPE propose de développer un schéma cinétique basé sur plusieurs corps purs (n-butane/n-decane/iso-octane/n-propylbenzene), permettant de reproduire pour chaque carburant la cinétique de nucléation des suies. Ce développement s’appuiera sur les mesures expérimentales de flamme laminaire suitées réalisées dans le projet.

2/ ASMAPE propose de développer une approche sectionnelle dans laquelle chaque classe de taille de suies est décrite au travers d’une équation de transport spécifique. Afin de faire fonctionner ce modèle, ils doit être couplé à des descriptions avancées de la combustion spécifiques à chaque type de moteur et permettant de rendre compte des espèces minoritaires impliquées dans la formation et l’oxydation des suies (HAP, OH, C2H2 etc…). De tels couplages devront être développés dans ASMAPE. En particuliers, ces modèles de combustion s’appuieront sur le schéma cinétique présenté précédemment.

3/ ASMAPE propose de réaliser trois bases de données expérimentales spécifiques : 1/une base de flammes laminaires suitées permettant de mesurer les HAP dans la structure même de la flamme, 2/ une base de flammes turbulentes de laboratoire aux conditions ambiantes permettant d’évaluer la modélisation numérique des suies en conditions bien maitrisées, 3/ une base de flammes turbulentes en conditions moteur (haute pression et température) permettant une validation dans des conditions proches de celles des moteurs. Ces trois expériences s’appuieront sur des diagnostics expérimentaux avancés.

4/ Afin de réduire le temps de calcul important induit par la méthode sectionnelle, ASMAPE propose de développer une approche numérique avancée basée sur une description des suies utilisant les moments de la distribution.

Les premiers résultats expérimentaux sur la flamme laminaire suitée ont été obtenus pour le n-butane pur. Ces résultats vont être complétés par l’ajout du n-propylbenzene permettant de rendre compte de l’influence de l’aromatique sur la formation des suies.
Un premier schéma cinétique valable pour les trois carburants d’intérêt a été développé. Il permet de reproduire en réacteur agité et en tube à choc un grand nombre d’expériences de la littérature. Il va maintenant être évalué sur les flammes laminaires d’ASMAPE.
Un premier couplage du modèle de suies sectionnel avec un modèle de combustion tabulé a été développé pour le calcul de moteurs Diesel. Ce modèle a été évalué sur une base expérimentale existante de moteurs Diesel et sur le spray A de l’ECN (Engine Combustion Network). Il a été montré que ce modèle avancé permettait une nette amélioration de la prédiction des suies sur l’ensemble des points moteur considérés. Il va maintenant être évalué sur la base expérimentale haute pression/température d’ASMAPE.

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Des suies sont formées lors de la combustion dans la plupart des chambres de combustion utilisées en transport. Elles sont règlementées pour les moteurs Diesel, et le seront bientôt pour les moteurs essence et les turbomachines aéronautiques. Ces règlementations vont non seulement concerner la masse, mais aussi le nombre de particules. Cela implique que les motoristes automobiles et aéronautiques doivent disposer d'outils expérimentaux et de modélisation fiables, capables de prédire la distribution de tailles de particules. D'autre part, il apparait comme important de pouvoir évaluer l'impact de la formulation des carburants sur les émissions, en vue d'une future diversification de leurs sources.

L'objectif du projet ASMAPE est le développement de modèles CFD validés et prédictifs pour la formation et l'évolution des suies à la fois dans les moteurs à piston (MAP) et les turbines à gaz (TG). L'ambition est de couvrir les trois principaux carburants commerciaux actuels: L'essence, le gasoil et le kérosène.
Ces modèles devront prédire à la fois la masse totale de suies (SVF) et la fonction de densité de probabilité de nombre de suies (SNDF). D'autres aspects majeurs, comme leur évolution dans les systèmes de post-traitement automobiles, ou leur fort impact sur les transferts de chaleur radiatifs, ne feront pas l'objet de ces travaux.

L'originalité d'ASMAPE est de proposer un travail de recherche innovant visant à traiter de verrous scientifiques majeurs pour atteindre les objectifs ambitieux du projet, à travers une approche intégrée combinant des diagnostics optiques avancés, de la cinétique chimique, de la combustion turbulente, ainsi qu'un travail sur des méthodes numériques, appliqués à un large spectre d'études allant des flammes laminaires aux chambres de combustion complètes de MAP et de TG.

Le point de départ sera l'acquisition d'une base de données expérimentale de la production de suies dans une flamme laminaire à l'aide de diagnostics avancés, et son analyse pour en extraire une compréhension détaillée de la chimie de formation des HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) et de la nucléation de suies, et la formulation de schémas cinétiques capables de les prédire. L'étude de carburants modèles spécifiquement sélectionnés va permettre de traiter la combustion de carburants commerciaux.
La compréhension améliorée et la modélisation de la cinétique de la phase gaz des suies va ensuite être exploitée pour formuler des modèles améliorés de suies basés sur deux modèles avancés, dont l'un basé sur une méthode sectionnelle, pour la phase solide disponibles dans les codes CFD du projet. Pour l'instant, ceux-ci reposent sur des cinétiques ad-hoc pour la phase gaz et sont en conséquence fortement limités en termes de prédictivité. ASMAPE propose de corriger cela en développant des méthodes de couplage adaptées entre la cinétique de la phase gaz des suies et les modèles de combustion turbulente utilisés pour les différentes applications du projet. Ces travaux concerneront à la fois un cadre RANS pour les MAP et les TG, et un code LES utilisé dans ces applications.
D'autre part, l'acquisition de deux bases de données expérimentales pour des flammes turbulentes va fournir des éléments fiables pour une validation extensive des modèles de suies du projet. La capacité de ces modèles à prédire la formation et l'évolution des suies dans des chambres de combustion de MAP et TG va être démontrée à la fin du projet.
Enfin, des travaux vont être initiés pour étendre les prédictions à la forme des particules et à leur composition, tout en réduisant le temps de calcul nécessaire, grâce au développement d'une approche par méthode des moments.

A l'issue du projet, les modèles de suies seront exploités par les industriels français de l'automobile et de l'aéronautique pour aider à des travaux de conception visant à limiter la production de suies à la source.