Des moteurs virtuels plus réalistes

Injecteur pilote au centre, injecteur multipoints en périphérie. Visualisation des gouttelettes dispersées dans la chambre de combustion TLC testée au banc M1 à l'Onera Palaiseau
Calcul DEFA réalisé avec le logiciel CEDRE

Chambre de combustion annulaire de moteur aéronautique

D’ici 2020, les nouveaux avions devront émettre 80 % de moins d’oxydes d’azote et consommer deux fois moins de carburant qu’aujourd’hui. Un sacré défi pour les motoristes, qui devront modifier en profondeur la conception des moteurs ! Pour y répondre, pas question de construire des centaines de moteurs et de les tester un par un : il faut modéliser. Or, la production de polluants comme les oxydes d’azote est complexe, car elle dépend de la température et du temps de séjour des gaz dans le moteur. C’est impossible à reproduire avec les modes de calcul actuels, il faut donc développer de nouveaux modèles. C’est le but du projet Mogadir lancé en 2006.
 

Un maillage de 3 Millions de tétraèdres pour modéliser la chambre PRECCINSTA et sa zone d'écoulement (pour calcul avec le logiciel Cedre)

« Les modèles stationnaires s’intéressent aux écoulements, qui en moyenne n’évoluent pas au cours du temps, explique Philippe Villedieu, chercheur au département Modèles pour l’aérodynamique et l’énergétique (DMAE) à l’Onera de Toulouse. Or, en phase d’allumage, les écoulements et les réactions chimiques évoluent très vite, ce n’est pas du tout stationnaire. C’est le cas aussi dans les écoulements turbulents où les grosses structures tourbillonnaires bougent sans arrêt de manière imprévisible ». D’où la nécessité de développer des modèles physiques dits « instationnaires » et des méthodes numériques permettant de calculer les résultats de ces modèles.

Phase dispersée (gouttelettes de carburant) en vert. Isosurface de température
colorée par le taux de réaction. (logiciel Onera Cedre)
Calcul DEFA réalisé avec le logiciel CEDRE

Pour prendre en compte les fluctuations de la vitesse des écoulements, il faut regarder à des échelles plus petites qu’auparavant. En effet, modéliser les tourbillons implique une plus grande finesse de maillage que modéliser seulement l’écoulement moyen. Mais cela nécessite des temps de calcul bien plus important, il faut donc ruser. « Le principe est de faire un modèle instationnaire, mais simplifié, avec des maillages assez gros mais pas trop, indique Philippe Villedieu. Mais comme cela ne permet pas de décrire les phénomènes à très petite échelle, on doit ajouter un deuxième modèle qui s’intéresse à ce qui se passe à l’intérieur de chaque maille. Il permet par exemple de connaître la concentration des espèces chimiques minoritaires telles que les oxydes d’azote ou le monoxyde de carbone, sans les calculer directement. »

Les résultats sont au rendez-vous. « Nous sommes capables de simuler une portion de chambre de combustion, et nous avons comparé ces résultats à des expériences menées sur le banc d’essai M1 de Palaiseau, précise le chercheur. Cela a permis de valider nos calculs. » Restent quelques points durs, comme la simulation de l’injection du combustible. Celui-ci est envoyé sous formes de gouttelettes les plus fines possibles, mais aucun logiciel ne sait pour l’instant modéliser la formation de ces gouttelettes.

Les chercheurs sont donc obligés d’utiliser dans leurs calculs des données expérimentales sur ces gouttelettes. Simuler également le système d’injection demanderait de nouveaux modèles et davantage de moyens de calculs. Une fois les modèles vérifiés, ils sont mis à disposition des autres équipes de l’Onera, ou d’industriels comme Snecma et Turbomeca.

Chambre TLC : calcul de la concentration de suies avec le logiciel Cedre
Calcul DEFA