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Marc DEMOULIN : Responsable des calculs de mécanique des fluides thermiques et vibrations au Centre de Modélisation et d’Analyse Scientifique, Direction des études de Renault
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les performances d’un moteur à explosion, qu’il soit Diesel ou à allumage commandé, à deux ou à quatre temps, à aspiration naturelle ou suralimenté, sont conditionnées directement par la masse d’air introduite dans le cylindre. Cette masse d’air détermine la quantité maximale de combustible que l’on peut introduire et donc l’énergie totale disponible. Cette énergie est transformée, au cours du cycle moteur, en énergie mécanique sur un arbre, mais également aussi en imbrûlés, en pertes à l’échappement et en pertes thermiques.
L’optimisation de cette quantité d’air introduite dans le cylindre nécessite l’étude des écoulements instationnaires qui ont lieu dans les systèmes d’admission et d’échappement des moteurs thermiques. Cette optimisation s’effectue en déterminant les longueurs et les sections des conduits (suralimentation par effet Kadenacy), les volumes des différents éléments (résonances de tubulures sur des volumes : filtre à air ou cylindre), ainsi que les caractéristiques de la distribution (diamètre et nombre de soupapes, calage des lois de levées, étalement, levée maximale, accélération maximale admissible, caractéristiques des lumières pour les moteurs deux temps).
Ces considérations s’appliquent aussi bien aux moteurs alternatifs qu’aux moteurs rotatifs, qui ne diffèrent que par les conceptions cinématiques de variation de volume.
Nous allons décrire tout d’abord 1 les phénomènes physiques que l’on rencontre lors de l’étude des transferts de gaz dans un moteur avec quelques exemples de sensibilité à différents paramètres, tels que la distribution, les échanges de chaleur, les pertes de charge, l’acoustique ou les variations de section. Puis nous présenterons une approche par modélisation numérique permettant d’étudier ces phénomènes. Les équations qui peuvent s’appliquer pour étudier les écoulements dans les tubulures seront décrites 2, ainsi que les principales méthodes de résolution 3 qui sont utilisées actuellement (pour plus de détails, on pourra se reporter à l’article Écoulements instationnaires [A 1 920] dans le traité Sciences fondamentales). Nous aborderons également 4 la modélisation des cylindres, des volumes, des pertes de charge singulières (papillon, coudes, etc.) et des turbocompresseurs. Nous mettrons ensuite en évidence un certain nombre de problèmes qui se posent, en particulier concernant la modélisation des transferts thermiques 5 et nous examinerons alors les principaux modèles rencontrés. Les mêmes difficultés se posent pour l’étude des pertes de charge 6, surtout en régime instationnaire, qui feront également l’objet d’un certain nombre de considérations. Ce chapitre se terminera par les méthodes de mesure 7 et les tendances actuelles 8 visant à optimiser le remplissage d’un moteur.
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6. Étude des pertes de charge
6.1 Origine des pertes de charge
À l’origine des pertes de charge lors du mouvement d’un liquide ou d’un gaz réel se trouve le processus de transformation irréversible de l’énergie mécanique du fluide en chaleur. On distingue deux aspects des pertes de charge :
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les pertes par frottement (régulières) ;
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les pertes singulières.
Les pertes de charge par frottement sont provoquées par la viscosité (autant moléculaire que turbulente) des liquides et des gaz réels. Elles prennent naissance lorsqu’il y a mouvement et résultent d’un échange de quantité de mouvement entre les molécules (écoulement laminaire) ou entre les diverses particules (écoulement turbulent) des couches voisines du liquide ou du gaz qui se déplacent avec des vitesses différentes. Ces pertes ont lieu sur toute la longueur de la conduite.
Les pertes de charge singulières se produisent quand il y a perturbation de l’écoulement normal, décollement des parois et formation de tourbillons aux endroits où il y a changement de section ou de direction de la conduite, élargissement, rétrécissement, courbure, branchement, écoulements à travers des ouvertures, des dispositifs d’obturation et d’étranglement, filtration à travers un corps poreux. Dans les pertes singulières figurent aussi les pertes de pression dues à la vitesse (pression dynamique) à la sortie de l’écoulement dans un grand volume (atmosphère).
Le phénomène de décollement et de formation des tourbillons est lié à la présence d’une différence de vitesse à travers la section du courant et à un gradient positif de la pression le long de l’écoulement. Ce dernier se produit lors du ralentissement du mouvement (canal divergent). La différence de vitesse dans la section ne conduit pas à un décollement lorsque le gradient est négatif (mouvement accéléré en canal convergent). Dans les tronçons convergeant de façon continue, l’écoulement est même plus stable que dans les tronçons à section constante.
Toutes les formes de pertes de pression singulières (à l’exception des chutes de pression dynamique à la sortie) se produisent sur une longueur plus ou moins grande et ne sont pas séparables des pertes par frottement.
Cependant, pour la commodité des calculs, il est convenu de les considérer concentrées dans une section et ne comprenant pas les pertes...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - COURANT, FRIEDRICHT - Supersonic flow and shock waves. - Interscience vol. 1, (1967).
-
(2) - LERAT (A.), PEYRET (R.) - Sur le choix de schémas aux différences du second ordre fournissant des profils de choc sans oscillation. - Comptes Rendus Acad. Sc. Paris t.277, p. 363-366, (1973).
-
(3) - LERAT (A.), PEYRET (R.) - Propriétés dispersives et dissipatives d’une classe de schémas aux différences pour les systèmes hyperboliques non linéaires. - Rech. Aérosp. no 1 975-2, p. 61-79, (1975).
-
(4) - LERAT (A.) - Thèse de doctorat sur le calcul des solutions faibles des systèmes hyperboliques de lois de conservaton à l’aide de schémas aux différences, - (1981).
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(5) - NUSSELT (W.) - Der Wärmeübergang in der Verbrennungskraftmaschinen. - VDI Forsch, (1923).
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(6)...
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