The 3-Zones Extended Coherent Flame Model (Ecfm3z) for Computing Premixed/Diffusion Combustion

Le modèle ECFM3Z (3-Zones Extended Coherent Flame Model) pour le calcul de la combustion par flammes de prémélange et flammes de diffusion

Institut français du pétrole, Direction Techniques d'applications énergétiques

Corresponding author: olivier.colin@ifp.fr

Abstract

The Extended Coherent Flame Model of Colin et al. (2003) developed to model combustion in perfectly or partially mixed mixtures is adapted to also account for unmixed combustion. The ECFM model is based on a flame surface density equation which takes into account the wrinkling of the flame front surface by turbulent eddies and a conditioning averaging technique which allows precise reconstruction of local properties in fresh and burned gases even in the case of high levels of local fuel stratification. This model has been used with success in gasoline engines (Duclos et al., 1996; Duclos and Zolver, 1998; Lafossas et al., 2002; Henriot et al., 2003; Kleemann et al., 2003). In order to adapt the model to unmixed combustion for Diesel application, a description of the mixing state has been added. It is represented by three mixing zones: a pure fuel zone, a pure air plus possible residual gases zone and a mixed zone in which the ECFM combustion model is applied. A mixing model is presented which allows progressive mixing of the initially unmixed fuel and air. This new combustion model, called ECFM3Z (3-Zones Extended Coherent Flame Model), can therefore be seen as a simplified CMC (Conditional Moment Closure) type model where the mixture fraction space would be discretized by only three points. The conditioning technique is extended to the three mixing zones and allows to reconstruct, like in the ECFM model, the gas properties in the unburned and burned gases of the mixed zone. Application of the model to internal combustion engine calculations implies the necessity of auto-ignition modelling coupled to premixed and diffusion flames description. Auto-ignition is modelled following (Colin et al., 2004), while the premixed turbulent flame description is given by the ECFM. The diffusion flame is now accounted for thanks to the three zones mixing structure which represents phenomenologically the diffusion of fuel and air towards the reactive layer, that is the mixed zone. The ECFM3Z combustion model has already been presented (Béard et al., 2003) in a comparative work between Diesel experiments and corresponding calculations covering different engine operating points. Here, the model is presented in all its details and its behavior is analysed when the relative duration of injection and auto-ignition delay are varied in a direct injection Diesel engine. It is shown that the model is able to reproduce the relative importance of auto-ignition and diffusion flame on the total heat release, depending on the engine operating point considered.

Résumé

Le modèle ECFM (Extended Coherent Flame Model) (Colin et al., 2003), développé dans le but de modéliser la combustion de mélanges parfaitement ou partiellement homogènes, est adapté à la simulation de la combustion par flammes de diffusion (combustion se produisant dans une zone de réaction mince séparant le carburant de l'air) rencontrée en moteur Diesel par exemple. Le modèle ECFM est basé, d'une part, sur la résolution d'une équation de transport de la densité de surface de flamme prenant en considération le plissement du front de flamme engendré par les effets turbulents, et d'autre part, sur une méthode de conditionnement assurant une reconstruction précise des propriétés locales des gaz frais et des gaz brûlés, même dans des cas très fortement stratifiés. Ce modèle a été utilisé avec succès dans les calculs de moteurs essence (Duclos et al., 1996 ; Duclos et Zolver, 1998 ; Lafossas et al., 2002 ; Henriot et al., 2003 ; Kleemann et al., 2003). Afin d'adapter le modèle à la combustion par flammes de diffusion, une description de l'évolution de l'état du mélange a été ajoutée. Cette description consiste à découper tout volume de contrôle (typiquement une maille de la grille de calcul 3D) en trois zones de mélange : une zone de carburant pur, une zone d'air pur (et d'éventuels gaz résiduels) et une zone dans laquelle le carburant et l'air sont mélangés. C'est dans cette zone (appelée zone mélangée) que le modèle de combustion ECFM est appliqué. L'évolution de l'état du mélange est gérée par un modèle phénoménologique assurant le mélange progressif du carburant pur et de l'air pur (c'est-à-dire, le passage des deux zones non mélangées vers la zone mélangée). ECFM3Z est couplé avec le modèle d'auto-inflammation développé par Colin et al. (2004) . Il a déjà été brièvement décrit dans une étude consacrée à la comparaison entre mesures expérimentales et calculs sur un moteur Diesel (Béard et al., 2003). Cette étude est consacrée à une présentation détaillée du modèle ECFM3Z. Son comportement est analysé à travers une variation de la durée d'injection et du délai d'auto-inflammation en moteur Diesel. Les résultats montrent clairement que le modèle est capable de reproduire l'importance relative de l'auto-inflammation et des flammes de diffusion sur le dégagement de chaleur en fonction du point de fonctionnement moteur considéré.