PDF Introduction 1ere 2e et 3e parties

Karine Truffin

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N? d'ordre: THÈSE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale: EDyF Spécialité : Dynamique des Fluides Par Karine Truffin SIMULATION AUX GRANDES ÉCHELLES ET IDENTIFICATION ACOUSTIQUE DES TURBINES À GAZ EN RÉGIME PARTIELLEMENT PREMELANGÉ. Soutenance le 17 mai 2005 devant le jury composé de: Mme. Bénédicte Cuenot Directrice de thèse M. Luc Vervisch Rapporteur M. Pascal Bruel Rapporteur M. Michel Cazalens Examinateur M. Roland Borghi Examinateur M. Thierry Poinsot Examinateur Thèse financée par DGA-CNRS, préparée au CERFACS 1 en collaboration avec SNECMA-Moteurs. 1. 42, av. Gaspard Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 1, France

• combustion turbulente


• modèles de combustion


• couplage entre l'acoustique


• évaluation de la réponse instationnaire de la flamme soumise


• modélisation cinétique


• réactifs dans la chambre de combustion


• identification acoustique des brûleurs - instabilités de combustion - schémas cinétiques

Sujets

• Histoire
• Prière
• Mendez
• Lartigue
• Snecma
• Boudier
• Auffray

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 mai 2005
• Nombre de lectures: 93
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

–N d’ordre:
THÈSE
présentée pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR
DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE
École doctorale: EDyF
Spécialité: Dynamique des Fluides
Par Karine Truffin
SIMULATION AUX GRANDES ÉCHELLES
ET IDENTIFICATION ACOUSTIQUE DES TURBINES À GAZ
EN RÉGIME PARTIELLEMENT PREMELANGÉ.
Soutenance le 17 mai 2005 devant le jury composé de:
Mme. Bénédicte Cuenot Directrice de thèse
M. Luc Vervisch Rapporteur
M. Pascal Bruel Rapporteur
M. Michel Cazalens Examinateur
M. Roland Borghi
M. Thierry Poinsot Examinateur
1Thèse financée par DGA-CNRS, préparée au CERFACS en collaboration
avec SNECMA-Moteurs.
1.42, av. Gaspard Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 1, FranceRemerciements
Tout d’abord, je remercie la DGA pour m’avoir accordé cette bourse DGA / CNRS.
Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Thierry Poinsot pour son encadrement tout au
long de ces trois années. Par son charisme, son dynamisme et sa passion pour la combustion, il
insuffle l’envie et l’énergie à son équipe. Il s’est montré très disponible pour toutes mes questions
et problèmes à résoudre. Il a pris le temps de relire et corriger les articles et ce manuscrit. Enfin,
il m’a beaucoup appris pour évoluer à la fois dans le monde de la recherche et de l’industrie.
Je remercie également Bénedicte Cuenot, directrice de cette thèse, pour m’avoir fait confiance et
laissée toute liberté dans mes initiatives. Elle contribue énormément à la qualité des recherches,
à l’exploitation des acquis... et à la bonne humeur générale.
2 3Je souhaite naturellement remercier Luc Vervisch , Pascal Bruel pour avoir accepté d’être
4 5rapporteurs et Roland Borghi , Michel Cazalens pour avoir évalué mon travail.
Je tiens à exprimer toute ma gratitude à l’équipe CSG, qui chaque jour se donne la peine de gérer
les problèmes informatiques avec une redoutable efficacité, de résoudre nos tracas et répondre
à nos caprices avec élégance. Merci également au travail et à la gentillesse de l’administration,
Marie, Michèle, Chantal, Nicole, Brigitte et Dominique.
LeCERFACSestunlieudetravailexceptionnel,quiaccueillechaqueannéedenombreuxthésards
et post-docs. C’est avec la plupart d’entre eux que j’ai pu évoluer et trouver ma voie avec
beaucoup de plaisir: Laurent Selle et Ghislain Lartigue, aussi drôles qu’insupportables, m’ont
beaucoup appris, de par leur curiosité scientifique; merci à Laurent Gicquel, pour le temps qu’il
m’a accordé mais aussi pour les moments d’évasion, à parler plongée; Yannick Sommerer qui
a bien souvent rendu l’intégration des développements numériques moins fastidieuse. Merci à
Eleonore Riber (Leo) qui humainement m’a témoigné beaucoup de confiance, qui m’a aussi
convertie (momentanément!) au footing, et fait partager des moments de vie et de fous rire;
Gabriel Staffelbach (alias Pablo, Mini-Moi ou Mr le consultant informatique), accueilli stagiaire,
jeletrouvaisbienmaladroit,depuisnousnoussommesliésd’uneamitiécomplice;PatrickSchmitt
("So ist das Leben!") avec qui j’ai pu avoir des discussions animées et pleines d’idées fructueuses;
Laurent Benoit, inoubliable pour ses exposés d’histoire (quelle culture!), son enthousiasme pour
la stratégie politico-militaire et ses coups de gueule contre l’ordinateur; Charles Martin, motard
2.Professeur à l’I.N.S.A. de Rouen
3.Chargé de Recherche à l’université de Pau
4.Professeur à l’ESM2, Marseille
5.Snecma Moteurs, W/YKCM - Département Aero-Combustion, site Villarocheau grand cœur, Jean-Baptiste Mossa, chasseur d’images, Antoine Dauptain, passé maître dans
les arts du Lindy hop, de la fabrication de bombes à eau ou dans la provocation de cris de frayeur;
Merci à Aloïs Sengissen, pour m’avoir initiée au Canyoning (c’est quand qu’on recommence?),
et Ludovic Thobois pour avoir lancé les soirées Carting; et puis merci à Marta et Roberto ( Un
gran abrazo...tutti e a due!;-) je, je, je), Céline Prière, Matthieu Boileau (le freesbee, ça vous
gagne!), Alexis Giauque, Valérie Auffray (peuchère!...), Sébastien Roux (dont je n’oublierai pas
le Gin), Stéphane Pascaud, Simon Mendez, Léa Artal, Alexandre Beer, Mauro Porta et Florent
Duchaine avec lesquels j’ai passé des moments très agréables. Je remercie également (dans le
désordre) Nicolas Lamarque, Guillaume Boudier et Jacques Lavedrine pour avoir supporté avec
patience et humour mes sautes d’humeur pendant les derniers mois.
À Anne...
4Résumé
Dans les foyers aéronautiques, une des stratégies adoptée pour réduire l’émission de polluants et faciliter la
stabilisation de la flamme, est d’injecter séparément les réactifs dans la chambre de combustion. L’objectif de
cette thèse est de développer et de valider l’approche LES (Large Eddy Simulation) de la combustion turbulente
partiellement prémélangée dans les turbines à gaz. La conception des nouvelles chambres de combustion moins
polluantes,passeparlacompréhensiondephénomènesinstationnaires,telsquelesinstabilitésdecombustion.Dans
ce contexte, des méthodes pour identifier la réponse de la chambre aux perturbations acoustiques, responsables
des instabilités, sont étudiées et améliorées.
Dans un premier temps, une étude bibliographique rappelle les caractéristiques essentielles de trois types de
combustion rencontrés dans les turbines à gaz (prémélange, diffusion, prémélange partiel). Un état de l’art sur
la réduction des schémas cinétiques est proposé à l’issu duquel des schémas cinétiques réduits à deux et quatre
étapes sont présentés. Ces schémas ont été développés et validés dans cette thèse. Le modèle de flamme épaissie
dynamiquement a été spécialement étendue dans cette thèse aux schémas cinétiques multi-réactions (DTF_MS)
en prenant en compte les termes sources de toutes les espèces. Il est intégré dans le code LES AVBP. Ces modèles
de combustion doivent prendre en compte les spécificités de la réaction et de l’écoulement: zones de mélange,
prémélange à richesse variable, interactions flamme/turbulence, émission de polluants.
La deuxième partie décrit les méthodes de mesure des fonctions de transfert. Deux méthodes (FTF et ITM),
couramment utilisées numériquement et expérimentalement pour identifier la réponse de la flamme, sont compa-
rées. La formulation FTF est améliorée pour être pleinement compatible avec les approches ITM dans le cadre
de l’acoustique linéaire 1D.
Latroisièmepartieprésentel’étuded’unbrûleurpropane/air,installéaulaboratoireEM2C(EcoleCentrale,Paris).
Cette partie représente un premier cas de validation de la LES réactive dans une configuration académique non
prémélangée. Les nombreuses comparaisons avec l’expérience permettent de vérifier la qualité de la LES et de
mettre en évidence les points à améliorer, en particulier la modélisation de la cinétique. L’évaluation de la réponse
instationnaire de la flamme soumise à des perturbations acoustiques est réalisée en comparant les moyennes
de phase LES/expérience et en déterminant les fonctions de transfert. Les résultats justifient l’utilisation des
méthodes FTF étendues.
Enfin, les simulations d’un prototype de brûleur industriel (installé au DLR Institut Technologique de Propulsion
à Cologne) ont permis de valider différents points. Tout d’abord, elles montrent que les modèles de combustion
sont applicables à une géométrie aussi complexe. Ensuite, elles permettent une première validation des modèles
développésdanscettethèse.Leschampsmoyensobtenusavecdeuxschémascinétiques(deuxetquatreétapes)sont
comparés. Enfin, elles rendent compte de phénomènes instationnaires complexes, tels que les PVC ("Precessing
Vortex Core"), les couplages acoustique/hydrodynamique et les instabilités de combustion.
MOTS CLES:
- Simulation des Grandes Echelles - Combustion turbulente partiellement prémélangée
- Identification acoustique des brûleurs - Instabilités de combustion
- Schémas cinétiques - Foyers aéronautiques
5Abstract
To reduce pollutant emissions and to better stabilize the flame in modern aeroengine combustors, a common
strategy is to inject fuel and oxidizer separately. The aim of this thesis is first to develop and to validate the large
eddy simulation (LES) of turbulent partially premixed combustion in gaz turbines. The design of new combustion
chamberswithl