Débit d’air et perte de charge dans un boîtier papillon

mots clés: Boîtier papillon, STARCCM+, modèle numérique, corrélation numérique.

Rédigé par:

FERNANDES PEPE Marcelo

Encadré par:

STOUKOV A. (enseignant chercheur IMFT)

LEGENDRE D. (enseignant chercheur IMFT)

CALMELS E. (Synerject)

VIGNAL N. (Synerject)

BERNANRD S. (Synerject)



Résumé:
 
       Lors de la conception d'un boîtier papillon, la quantité d'air qui est fourni à la chambre de combustion est très importante et, pour régler ce paramètre, plusieurs simulations ont été réalisées avec un modèle numérique spécial pour ce cas. Afin de réduire les coûts lors de la conception d'un nouveau système de gestion d’essence, la modélisation et simulations sont devenus de plus en plus exigée par les entreprises d'ingénierie, en permettant d’économiser temps d'installation précieuse dans une soufflerie ou dans un centre d’essais. Pour faire cette simulation un modèle fiable doit être créé, basée sur les équations de la mécanique des fluides et ses modèles numériques. Un boîtier papillon de Synerject a été simulé à l'aide de la CFD (Computational Fluid Dynamics), et tous les paramètres ont été classés par ordre de priorité, montrant lequel d'entre eux aura un impact plus fort sur le flux d'air qui sera aspiré par le moteur. Les résultats montrent que le modèle de simulation étudié dans ce rapport a eu bons résultats, lorsque l'on compare aux données expérimentales (erreur<17%). Cette étude a comme principal objectif devenir une corrélation numérique.
 

Abstract:

                When designing a throttle body, the quantity of air that supplies in the combustion chamber is highly important, and to set this parameter some simulations were conducted with the software STARCCM+. In order to reduce costs when designing a new fuel management system, computer modeling and simulations have become more and more required by engineering companies, saving valuable setup time in a wind tunnel or in an engine test cell. To run such simulation a reliable model needs to be created, based on equations of fluid mechanics and its numerical models. A throttle body has been simulated using Computational Fluid Dynamics (CFD), and all parameters were ranked in priority order, showing which of them will have a stronger impact on the airflow that will be aspirated by the engine. The results shows that a simulation model studied in this report had good results, when comparing to experimental data (error < 17%). This study have the main objective of becoming a numerical correlation.


 

            

Introduction

La mission

La société Synerject a souhait que le groupe élabore un outil de prévision fiable du débit de boîtier papillon sur toute sa plage d'ouverture, pour les faibles angles d’ouverture (cas prioritaire), et pour l'ouverture maximale. Pour ce faire on doit, tout d’abord, développer / améliorer le modèle existant. Après identifier le type de modèle de calcul / outil adapté au cas du boîtier papillon et construire un modèle avec l’outil identifié. Ensuite, recaler le modèle de simulation avec des mesures effectuées sur le banc de débit Synerject. Il serait nécessaire aussi identifier et hiérarchiser les paramètres contributeurs du débit.

Remarque : Dans la phase de recherche de type de modèle et d’outil, il convient de considérer la possibilité d’intégrer le modèle dans AMESim, dans une démarche de modélisation de systèmes de contrôle moteur.

Le contexte

Synerject est une filiale du groupe Continental. Elle est spécialisée dans les systèmes de contrôle moteur pour des moteurs à essence non-automobiles : scooters, moto, quads, moto neiges, jet skis, tondeuses, etc., et l’équipe de Recherche et Développement des systèmes est basée à Toulouse. Afin de couvrir tous les aspects fonctionnels d’un système, Synerject est amené à concevoir ses propres boîtiers papillon.

La fonction du boîtier papillon est d’alimenter le moteur à essence injecté avec une quantité d’air donnée. La quantité d’air dépend de l’ouverture du papillon et de la dépression générée par le fonctionnement du moteur. Il est dimensionné avec un débit d'air minimum (passage ralenti ou de fuite) et un débit maximum (puissance). Il faut traduire la demande du client/système en un cahier des charges pour définir le boîtier et quantifier ses performances. Le débit maximum est, en première analyse, souvent associé à un diamètre de passage. 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1: Schéma du trajet de l'air et la position du boîtier papillon. Source : Matériel Synerject 

 

Pour la conception de boîtiers papillon, il faut dimensionner quelques paramètres, comme la section de passage minimale, loi débit (que dépend d’angle du papillon), section de passage maximale, etc. Est nécessaire aussi identifier les moyens spécifiques pour le contrôle du débit ralenti et de moyens spécifiques d’équilibrage / synchronisation entre plusieurs conduits (boîtiers multi-papillon). Le débit d’air est contrôlé à l’entrée d’un moteur, selon la consigne du conducteur. Deux types de boîtiers sont envisages : Le papillon mécanique (rotation de la poignée entraînant une traction du câble sur le levier d’ouverture du boîtier papillon) et le papillon électrique (demande de couple à partir de la lecture de l’angle de rotation de la poignée).

Pour ce faire, Synerject a besoin d’un modèle de calcul de débit. Ils s’équipe d’un banc de mesure de débit en 2014 afin de pouvoir réaliser des mesures de débit sur des composants issus de production, faire l’analyse de produits concurrents et travailler sur les activités de développement (optimisation de design, recherche de solutions, corrélation/validation modèles).

Problème

Synerject a construit un modèle de calcul de débit en 2014. Il permettre de relier les dimensions du boîtier papillon et l’angle d’ouverture, afin de pouvoir prédire le débit d’air que entre dans les chambres de combustion du moteur. Malheureusement, le modèle n’est pas recalé avec la performance réelle. Il y a un écart significatif avec les mesures de débit en faible ouverture papillon, donc le modèle nécessite des améliorations pour pouvoir faire de la prédiction.

Sur quelques mesures véhicule il a déjà été observé une forte différence (calcul optimiste de 50 à 70%) entre la mesure et le calcul, pour les faibles angles de papillon (<5°), donc il n’y a pas encore de prédictions fiables. 

Qu’est-ce que c’est un boîtier papillon ?

Pendant le fonctionnement d’un moteur quatre temps, nous avons les phases d’admission, compression, combustion et d’échappement. Pour la première phase, on a l’ouverture de la (des) soupape(s) d'admission et le mouvement descente du piston, ce dernier aspire le mélange air-essence dans la chambre de combustion à une pression de 50 à 400 mbars (moteur non-suralimentés dits "atmosphériques") à 2500 mbars environ pour un moteur suralimenté d'automobile de série (exprimé en pression absolue), et c’est cette différence de pression qui permettra de créer un flux d'air dans la chambre de combustion.

En revanche, si on augmente la perte de charge entre la chambre de combustion et l’atmosphère, nous pouvons régler la quantité d’air qui va être aspiré, et donc la puissance du moteur.   Pour ce faire, on utilise une vanne qui va restreindre le débit d’air qu’est aspiré par le moteur, et ce composant est connu comme papillon.

La vanne plus commune est du type papillon et il est utilisé dans la quasi-totalité de la production mondiale de véhicules automobiles et non-automobiles.  La vanne est esquissée dans la figure ci-dessus :

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2: Illustration d'un boîtier papillon en 2D et 3D

Une information importante que nous devrions prendre en compte est l’angle de repos de la vanne. En fait le papillon n’est pas un cylindre avec une hauteur définie, il a un angle de 6° obtenu par usinage. Dans la figure ci-dessus, le papillon est fermé au maximum, et visuellement il a un angle proche de 6°, donc il touche l'alésage en "haut" et en "bas". 

Figure 3: Schéma 2D avec l'angle de repos α et l'angle d'ouverture Γ.

L’angle de repos a été définit comme α, l’angle d’ouverture Γ, l’épaisseur e et le diamètre du corps D.

Géométrie

Pour que nous puissions avoir une étude complète du boîtier papillon, nous devrons travailler avec trois géométries différentes :

L’objectif est trouver les valeurs maximales, minimales et souhaités d’un certain paramètre, pour que on puisse comparer avec la valeur expérimentale. Par exemple, si on souhaite avoir le débit d’air quand une différence de pression et un angle d’ouverture donné, les simulations avec les trois géométries seront démarres. La géométrie avec les tolérances maximales va nous donner le débit plus faible (papillon plus grand possible et boîtier plus petit), la deuxième va nous donner le débit plus grand (papillon plus petit possible et boîtier plus grand), et la dernière va nous donner une valeur entre les deux. Le résultat expérimental doit être proche du résultat nominal et entre les valeurs maximal et minimal.

Comme les plans industriels des boîtiers papillons sont maintenus en confidentialité, et le temps de projet BEI est relativement court, nous avons travaillé dans ce projet juste avec les valeurs nominales.

A partir des documents fournis par Synerject qui contient les dimensions du boîtier papillon, nos premières simulations ont été réalisées sur un tuyau de 600 mm de longueur avec un diamètre nominal de 44,017 mm, un papillon avec diamètre nominal de 43,971 mm et angle de repos α0 de 6°. L'axe central de l'arbre du papillon est situé à 50 mm de l'entrée, de sorte que nous pouvons être sûrs que le flux d'air sera complètement développé avant d’arriver au papillon.

 La géométrie et le maillage ont été créés en utilisant le logiciel (CD-Adapco STARCCM+ version 9.06.011).

Avantages de STARCCM+

Le logiciel STARCCM+ a été choisi comme meilleur outil pour traiter l’aérodynamique dans un boîtier papillon pour deux motives :

  • Il permet de travailler avec des géométries 3D ;
  • Il permet de créer un maillage chimère.

En fait, ce projet peut être travaillé avec un logiciel 0D aussi, mais STARCCM+ nous permet de voir le trajet d’air, l’emplacement des vitesses critiques, les ondes de choc (quand on a un écoulement supersonique), etc.  Donc, en première temps, on commence à travailler avec le 3D, et quand on connaît tous les paramètres impactant sur le modèle de boîtier papillon, on passe à modélisation 0D.

Le maillage chimère, ou maillage Overset, est utilisé quand nous avons des problèmes avec plus d’un corps ou des corps mobiles. Avec cette option nous pouvons créer deux maillages, un fixe (boîtier) et l’autre mobile (papillon), et tourner le maillage mobile chaque fois qu’on veut faire une simulation. Si on ne travaille pas avec l’overset mesh, il faut créer un maillage (donc une géométrie) différente pour chaque angle d’ouverture.  

Géométrie Idéale

L'objectif de ce premier tutoriel est de modéliser l'écoulement compressible causé par un gradient de pression dans un profil cylindrique (en représentant le boîtier papillon), en tenant compte des multiples contraintes liées à la géométrie évoquées dans l'introduction précédente. Comme on va travailler avec une géométrie 3D, nous devrons partir de géométries 2D et essayer de les extruder ou de les révolutionner afin d’avoir différents solides.

Tout d'abord, après avoir créé une nouvelle simulation dans StarCCM+, on va éditer la géométrie dans Geometry > 3D-CAD Models clic droit -> New.

Vous arrivez dans un nouvel onglet dans lequel vous allez faire clic droit sur XY et create sketch.

Nous allons commencer par créer un demi-profil du papillon. A l'aide de l'outil Create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.001, 0, 0) et finisse à (0.001, 0, 0), donc l’épaisseur de 2mm. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que le rayon du papillon soit de 0.021985 m. Ne pas oublier de créer un axe de rotation et le mettre à côté du papillon, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 4: Dessin du demi-profil du papillon

Pour qu’on puisse diminuer la quantité totale de cellules, on va diviser le boîtier en trois parties : Le centre, l’entrée et la sortie. On va recommencer les mêmes actions de manière à créer le centre, que doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 5: Dessin du demi-profil du centre du boîtier

Puis, l’entrée doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 6 : Dessin du demi-profil de l'entrée du boîtier

Enfin la sortie, doit être crée de la même façon. Comme hauteur on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m. Maintenant on va dessiner l’arbre de rotation du papillon, donc vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. Avec l’aide de l’outil Create circle, on va mettre le centre de l’arbre à (0, 0, 0) et un rayon de 0.004055 m, comme la figure suivante.

Figure 7 : Dessin du profil de l'arbre du papillon

Ensuite, on va recommencer les mêmes actions de manière à créer une la zone d’Overset à l'aide de l'outil Create line. En fait, on n’a pas une règle pour créer la région overset, il peut avoir quelque taille et forme, pourvu qu’il comprendre tout le papillon.

Figure 8 : Dessin de la région Overset

Maintenant, nous devrons transformer tous les dessins en solides. On commence par le demi-profil du papillon. Clic droit sur le Sketch du papillon, choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None.

Comme on veut un Body avec l’arbre de rotation et le papillon ensemble, on suive : Clic droit sur le Sketch de l’arbre de rotation, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Symmetric, Distance -> 0.023 m, body interaction -> Merge. On a maintenant un corps Body 2 avec les deux solides ensembles.

Pour les dessins du boîtier (l’entrée, centre et sortie) et de l’overset, on va suivre les mêmes pas de révolution du papillon : Clic droit sur le Sketch de l’overset ou du boîtier (soit le centre, l’entrée ou la sortie), choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None. On doit avoir la figure suivante :

Figure 9 : Géométrie solide après les revolutions

Pour finir notre création de la géométrie, on va renommer les faces du boîtier et de l'Overset. On doit mettre Inlet pour la frontière amont, Paroi pour les parois du boîtier (les trois) et Outlet pour le frontière aval. On doit aussi renommer tous les faces de l’overset comme Overset.

Fermer le créateur de géométrie.

Géométrie utilisé

Cette géométrie a été créé parce que :

  • La technologie d’overset augmente énormément la quantité de cellules de notre maillage. Ce problème est abordé à la conclusion de ce rapport ;
  • Elle permet de couper longitudinalement le maillage final en deux, que nous permet de diminuer encore plus la quantité finale de cellules ;

Après quelques réunions partielles avec Synerject, nous avons fait une altération au papillon, un angle de 6° en haut et en bas a été créé. Etant donné aussi que nous avons des résultats expérimentales juste pour les angles plus petites que 11°, on a créé une géométrie pour traiter le cas de 10 °. Pour diminuer encore plus la quantité de mailles, la région centrale du boîtier a été réduite à 0.014 m au lieu de 0.03 m.

Après avoir créé une nouvelle simulation dans StarCCM+, on va éditer la géométrie dans Geometry > 3D-CAD Models clic droit -> New. Vous arrivez dans un nouvel onglet dans lequel vous allez faire clic droit sur XY et create sketch.

Nous allons commencer par créer le centre, que doit être fait avec un rectangle, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.014 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 10:Dessin du demi-profil du centre du boîtier

Puis, l’entrée doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.05 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 11 : Dessin du demi-profil de l'entrée du boîtier

Enfin la sortie, doit être crée de la même façon. Comme hauteur on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.135 m. L’arbre de rotation du papillon doit être crée de la même façon que le dernière tutoriel. Pour créer le profil du papillon, clic droit sur YZ et create sketch. On va utiliser l'outil create circle : créer le profil tel que le centre se situe aux coordonnées (0, 0, 0) et le rayon de 0.02195 m. comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 12 : Dessin du profil du papillon

Maintenant, on va créer deux géométries auxiliaires. La première est utilisé pour couper le papillon, afin de que la région extérieure puisse être plus raffiné que l’intérieur. Vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. On va utiliser l'outil create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.005, 0.015, 0) et finisse à (0.005, 0.015, 0), donc l’épaisseur de 0.01 m et hauteur de 0.015 m. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que la hauteur de notre rectangle auxiliaire soit de 0.0069 m, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 13 : Dessin du demi-profil du Shape auxiliaire

La deuxième sera utilisée comme une Shape, afin de que le maillage dans cette shape puisse être plus raffiné que les autres. Vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. On va utiliser l'outil create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.003, 0.021, 0) et finisse à (0.003, 0.021, 0), donc l’épaisseur de 0.006 m et hauteur de 0.0.021 m. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que la hauteur de notre rectangle auxiliaire soit de 0.009 m, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 14 : Dessin du demi-profil du Shape auxiliaire

Maintenant, nous devrons transformer tous les dessins en solides. On commence par le profil du papillon. Clic droit sur le Sketch du papillon, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Specific, Distance -> 0.001 m, body interaction -> None. Pour la direction de la extrusion, il faut choisir X : 0.105, Y : 0.0 et Z : 1.0. Le vecteur va créer une extrusion avec l’angle spécifie par Synerject.

Comme on veut un Body avec l’arbre de rotation et le papillon ensemble, on suive : Clic droit sur le Sketch de l’arbre de rotation, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Symmetric, Distance -> 0.023 m, body interaction -> Merge. On a maintenant un corps Body 2 avec les deux solides ensembles.

Pour les dessins du boîtier (l’entrée, centre et sortie) et des régions auxiliaires, on clic droit sur le Sketch du boîtier (soit le centre, l’entrée ou la sortie) ou des régions auxiliaires, choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None.

Pour meilleur comprendre les prochaines manipulations de la géométrie, on va renommer les Bodys : Body2 -> Valve, Body3 -> Enter, Body4 -> Center, Body5-> Exit, Body6 -> Shape Valve, Body7-> Shape Aux.

Tout d’abord on va tourner le papillon en 10 degrés. Pour ce faire on multi-sélectionne Valve, Shape Valve et Shape Aux, clic droit et Transform -> Rotate -> Angle 16 deg. On doit tourner 16 degrés parce que sont les 10° désirés plus 6° de repos. Après, on suive les pas suivantes :

·         Valve clic droit Duplicate;

·         Multi-sélectionne Valve 2 et Shape Valve. Clic droite Transform -> Substract ;

·         Renommer nouveau Body : Valve_Int ;

·         Multi-sélectionne Valve et Valve_Int. Clic droite Transform -> Substract ;

·         Renommer nouveau Body : Valve_Ext ;

·         Delete corps en plus ;

On verra la figure suivante :

Figure 15 : Les modifications de la géométrie

Pour finir notre création de la géométrie, on va renommer les faces du boîtier, de l'Overset et le papillon. On doit mettre Inlet pour la frontière amont, Paroi pour les parois du boîtier (les trois) et Outlet pour le frontière aval. Ensuite, on renomme tous les faces de l’overset comme Overset, et les faces du papillon comme Valve_int ou Valve_ext.

Fermer le créateur de géométrie.

Maillage

Maillage Idéale

Pour importer la géométrie : Geometry -> 3D CAD-Models -> 3D CAD-Models 1  clic droit New geometry part et renommer Body2 -> Papillon, Body 3 -> NONOverset, Body 4 -> Tube 2, Body 5 -> Tube 3 et Body 6 -> Tube 1.

Puis, on doit créer la région fluide d’overset avec le papillon. Pour ce faire on multi-sélectionne NONOverset et Papillon, clic droit et Boolean -> Subtract Parts. Donc maintenant on a la seule région mobile de notre problème. Renommer le nouveau Body Subtract comme Overset.

Ensuite multi-sélectionner Tube1, Tube2, Tube3 et Overset, clic droit et Assign Part to Regions. Dans la fenêtre, choisir les options Create a Region for Each Part for the Region et Create a Boundary for Each Part SurfaceApply.

Définition des conditions limites :

Regions -> Overset -> Boundaries et pour Overset choisir Overset Mesh, pour Papillon, laisser Wall.

Regions -> Tube1 -> Boundaries et pour Inlet choisir Velocity Inlet, pour Paroi et Default (l’interface) laisser Wall.

Regions -> Tube2 -> Boundaries et pour Paroi et Default (l’interface) laisser Wall.

Regions -> Tube3 -> Boundaries et pour Outlet choisir Pressure outlet, pour Paroi et Default (l’interface) laisser Wall.

Puis dans Continua clic droit pour créer deux mesh continuum que vous allez renommer Background et Overset. Pour chacun d'eux, choisir pour models :

- Surface Remesher

- Polyhedral Mesher

- Prism Layer Mesher

Ici, on fait le choix de prendre un maillage hexagonal qui donnera de bien meilleurs résultats dans notre cas. Maintenant, on va définir les conditions spécifiques de création de maillage :  

Continua -> Background -> Reference Value, modifiez la base size pour 0.005m qui sera la taille base des cellules hexagonales.

Continua -> Background -> References Values -> Number of Prism Layers pour 3

Continua -> Background -> References Values -> Prism Layer Stretching pour 1.2

Continua -> Background -> References Values -> Prism Layer Thickness pour 5.0

Continua -> Background -> References Values -> Surface curvature pour 1000.0 pts/circle

Continua -> Background -> References Values -> Surface Growth Rate pour 1.05

Continua -> Background -> References Values -> Surface Size -> Minimum Size pour 25.0 et Target Size pour 150.0

Et pour l’overset :

Continua -> Overset -> Reference Value, modifiez la base size pour 0.05 m

Continua -> Overset -> References Values -> Number of Prism Layers pour 5

Continua -> Overset -> References Values -> Prism Layer Thickness pour 1.0

Continua -> Overset -> References Values -> Surface curvature pour 1000.0 pts/circle

Continua -> Overset -> References Values -> Surface Growth Rate pour 1.2

Continua -> Overset -> References Values -> Surface Size -> Minimum Size pour 1.0 et Target Size pour 10.0

Prendre garde dans Regions que la région Background est bien associée au maillage Tube1, Tube2 et Tube3 et que la région Overset est bien associée au maillage overset.

Maintenant on doit définir quel est l’angle du papillon. On clic droit sur la région Overset et Transform -> Rotate -> Angle 25 deg. Toujours que on veut changer l’inclinaison du papillon, on doit refaire cette transformation. Enfin on doit créer l’interface entre l’overset et le Tube2, donc on multi-sélectionne les régions Tube2 et Overset, clic droit Interface -> ZeroGap Interface

Il suffit alors de cliquer sur Generate Volume Mesh et d'enregistrer la simulation.

Les problèmes aperçu dans ce cas est la densité de maillage. La maille a été considéré comme grossière sur les bords, entre le papillon et les parois. Avec les ordinateurs de notre école, nous ne pouvons pas essayer de raffiner encore plus le maillage, il faut avoir un calculateur pour continuer les études avec ce maillage.

 

Figure 16 : Maillage interne créée avec l'interface overset

Figure 17 : Maillage transparent avec la région Overset

Figure 18 : Maillage externe, que montre que les mailles ne sont pas assez raffines 

Maillage utilisé

Pour importer la géométrie : Geometry -> 3D CAD-Models -> 3D CAD-Models 1 clic droit New geometry part. Vous trouverez les bodys nomes : Valve, Enter, Center, Exit, Shape Valve, Shape Aux, Valve_Int, Valve_ext.

On doit créer la région fluide du boîtier. Tout d’abord, on va renommer les bodys : Center -> CenterN, Enter -> EnterN, Exit -> ExitN. Après on suive :

  • Multi-sélectionner CenterN, Valve_int et Valve_ext. Clic droit -> Boolean -> Substract. Renommer le nouveau body comme CenterNN ;
  • Clic droit en Parts -> new shape parts –> block ;
  • Créer un block sur le boîtier papillon, de façon que nous puissions soustraire le block du boîtier et avoir une demi-géométrie du boîtier papillon ;
  • Multi-sélectionner CenterN, EnterN, ExitN et Block. Clic droit -> Boolean -> Substract. Renommer les nouveaux bodys comme Center, Enter et Exit ;

Ensuite multi-sélectionner Center, Enter et Exit , clic droit et Assign Part to Regions. Dans la fenêtre, choisir les options Create a Region for Each Part for the Region et Create a Boundary for Each Part SurfaceApply.

Définition des conditions limites :

Regions -> Center -> Boundaries et pour Block Surface choisir Symmetry Plane, pour Default, Paroi, Valve_Int et Valve_ext laisser Wall.

Regions -> Enter -> Boundaries et pour Block Surface choisir Symmetry Plane, pour Inlet choisir Velocity Inlet, pour Default et Paroi laisser Wall.

Regions -> Exit -> Boundaries et pour Block Surface choisir Symmetry Plane, pour Outlet choisir Pressure Outlet, pour Default et Paroi laisser Wall.

Puis dans Continua clic droit pour créer deux mesh continuum que vous allez renommer Center et In_Out. Pour chacun d'eux, choisir pour models :

- Surface Remesher

- Polyhedral Mesher

- Prism Layer Mesher

Ici, on fait le choix de prendre un maillage hexagonal qui donnera de bien meilleurs résultats dans notre cas. Maintenant, on va définir les conditions spécifiques de création de maillage :  

Continua -> Center -> Reference Value, modifiez la base size pour 0.005m qui sera la taille base des cellules hexagonales.

Continua -> Center -> References Values -> Number of Prism Layers pour 3 ;

Continua -> Center -> References Values -> Prism Layer Stretching pour 1.2 ;

Continua -> Center -> References Values -> Prism Layer Thickness pour 5.0 ;

Continua -> Center -> References Values -> Surface curvature pour 1000.0 pts/circle ;

Continua -> Center -> References Values -> Surface Growth Rate pour 1.3 ;

Continua -> Center -> References Values -> Surface Size -> Minimum Size pour 10.0 et Target Size pour 200.0 ;

Continua -> Center -> Volumetric control clic droit New. Puis associer ce Volumetric Control 1 avec le Shape Aux. Dans mesh Conditions, cochez Customize Surface Remesher puis dans Mesh Values -> Custom Size -> Relative Size mettez 2.5% .

Et pour In_Out :

Continua -> In_Out -> Reference Value, modifiez la base size pour 0.005 m

Continua -> In_Out -> References Values -> Number of Prism Layers pour 2

Continua -> n_Out -> References Values -> Prism Layer Stretching pour 1.5

Continua -> In_Out -> References Values -> Prism Layer Thickness pour 10.0

Continua -> In_Out -> References Values -> Surface curvature pour 36.0 pts/circle

Continua -> In_Out -> References Values -> Surface Growth Rate pour 1.3

Continua -> In_Out -> References Values -> Surface Size -> Minimum Size pour 5.0 et Target Size pour 100.0

Enfin prendre garde dans Regions que la région Center est bien associée au maillage Center et que la région Enter et Exit sont bien associée au maillage In_out.

Il suffit alors de cliquer sur Generate Volume Mesh et d'enregistrer votre simulation.

 

Figure 19 : Maillage du côté symétrique 

Figure 20 : Maillage extérieure 

Étude physique

Après réviser les études de boîtier papillon [1] et [4], on a choisi les modèles que pendent en compte les équations d’écoulement compressible :

Figure 21: Modèles physiques choisi pour le cas d'écoulement d'air dans un boîtier papillon 

Résultats

Malheureusement, a cause de la grande quantité de mailles, nous avons réussi a finir seulement une simulation:

Étant donné que la différence de pression de la soufflerie de Synerject a donné 0.6 bar comme différence de pression finale, nous pouvons dire que les modèles choisis sont fiables, une fois que on a moins de 17% de erreur entre le résultat expérimental et  le modèle numérique. 

Figure 22 : Profil de vitesse de l'air 

Figure 23 : Différence de pression en amont et aval du boîtier

Le bureau d’étude à venir

·         Créer les géométries pour les cas de débit maximal et minimal, basé sur les tailles de la tolérance (voir page Géométrie) ;

·         Etudier les échanges thermiques causés par la variation de température autour du papillon, grâce à l’écoulement supersonique ;

·         Travailler l’écoulement avec rugosité variable. Estimer l’importance de la rugosité pour chaque angle d’ouverture et différence de pression ;

·         Valider le maillage. Pour voir si le maillage a un nombre suffisant de mailles, nous devrons doubler la quantité totale de cellules. L’objective est regarder la différence de résultats, si on a une différence grande de valeur, le maillage utilisé n’a été pas suffisamment raffiné.

·         Les simulations pour les autres angles d’ouvertures et différences de pression doivent être faites pour que l’on puisse avoir une base de donné théorique, que plus tard sera validé avec les résultats de la soufflerie. Comme a été expliqué au chapitre antérieure, les calculs devront être faites par une calculateur ;

·          Après la validation des résultats nous devrons corriger les paramètres des équations du modèle, avec l’objective de trouver des équations optimales pour cette étude ;

·         Enfin, travailler les équations optimales pour obtenir la corrélation numérique finale.

 

 

Limitations

Pendant ce projet nous avons trouvé quelques limitations avec les machines et la méthode avec lesquelles nous avons travaillé :

·         Tout d’abord, le maillage chimère. Pour qu’on puisse travailler avec la superposition de maillage, le logiciel STARCCM+ doit créer une zone d’interface entre le maillage fixe et mobile. Dans la région de superposition, le maillage doit être très raffiné, pour que le logiciel puisse faire le calcul avec la géométrie fixe et mobile, par contre il va demander aussi plus de mémoire et de processeur, ce qui fait augmenter le temps de calcul. Le premier maillage travaillé dans ce projet a 3.5 million de mailles, et étant donné qu’il est suggéré travailler avec 100 milles mailles (25 milles mailles par cœur) avec les ordinateurs de l’école, on n’aura pas le temps de finir les calculs ;

·         Le nouveau maillage est composé de 700 000 mailles, et le calcul a pris 11 heures pour converger. Même avec un maillage optimal, on ne peut pas continuer à simuler les calculs aux ordinateurs de l’école, il faut traiter le problème avec une calculateur ;

·         La quantité de licences disponibles du logiciel STARCCM+ est limité, donc on ne pouvait pas lancer les calculs sur plus d’une machine de l’école.

·         L’école ne peut pas utiliser ses licences STARCCM+ pour donner des études complètes à une entreprise, une fois qu’ils ont des licences à des fins non lucratives.

Conclusion

Après les études des modèles du boîtier papillon, nous avons réussi à développer un modèle numérique valide, que peut nous donner des prévisions (erreur de 17%) du débit sur toute la plage d'ouverture du papillon. Le modèle utilise le logiciel STARCCM+, où on a construit une géométrie et un maillage basé sur les mesures nominales d’un boîtier papillon spécifique de Synerject. Ce logiciel a été choisi comme meilleur outil pour cette étude parce qu’il travaille avec le concept de maillage chimère, où on peut créer un maillage fixe (boîtier) et un mobile (papillon). Le modèle physique a été choisi basé sur les études de compressibilité des fluides, une fois que le Nombre de Mach d’air dépasse facilement la valeur 0.3 au bord du papillon.

La principale limitation imposée par le problème a été l'écart entre le papillon et la paroi du boîtier, qu’est très faible. Nous avons utilisé des différentes tailles de mailles pour résoudre ce problème, donc des cellules plus petites près de l'écart et plus grandes dans le reste du corps. La transition entre ces différentes densités cellulaires a causé des problèmes avec des cellules déformées et une mauvaise qualité de maillage, une fois qu’on ne pouvait pas travailler avec un maillage très dense.

Après identifier le type de modèle de calcul adapté au cas du boîtier papillon et construire un modèle avec l’outil identifié, on a besoin (comme bureau d’étude à venir) de recaler le modèle de simulation avec des mesures effectuées sur le banc de débit Synerject. La corrélation numérique finale devra être basée sur les équations corrigées par cette dernière étude.

 

Bibliographie

[1]   CARLSSON, P. “Flow Through a Throttle Body : A Comparative Study of Heat Transfer, Wall Surface Roughness and Discharge Coefficient”, Master’s thesis, University of Linköping, 2007

[2]   GENOT, A., MAGNET, W.,EBRAD, X. “STARCCM+ écoulements compressibles - Projet Numerique 2014, http://hmf.enseeiht.fr/travaux/projnum/content/2014-g16. Vu en 20/02/2015.

[3]   STARCCM+ Online Tutorial and User Guide, Fevrier 2015

[4]   HEYWOOD, J.B. "Internal Combustion Engine Fundamentals" TJ755.H45, 1988, 621.43, 87-15251, McGraw-Hill,Inc.

 

Remerciements:

M. Alexei Stoukov, Docteur en Mécanique des Fluides, Ingénieur des Fluides, Ingénieur de Recherche IMFT/ENSEEIHT, Pôle "Calcul scientifique" de la DSI INPT, pour son encadrement, pour ses conseils et pour son investissement.