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Marlène Sanjosé

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
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• essen- tiels des simulations diphasiques pour les chambres de combustion


• modèle d'évaporation retenu dans avbp


• transport intervenant dans le modèle


• aspect physique

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

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la première partie
de la thèseT roisième partie
Mo délisation de la ph ysique des
écoulemen ts diphasiques :
év ap oration et injectionIn tro duction
Cette partie du manuscrit réunit deux études relatives à des aspects physiques
essentiels des simulations diphasiques pour les chambres de combustion. L’étude du Chapitre 6
évalue le modèle d’évaporation retenu dans A vbp, qui a été présenté au §-3.2.4. Tout
d’abord il s’agit de situer le modèle en terme d’hypothèses, de physique résolue ou négligée et
de performances numériques. Ensuite une étude de sensibilité des paramètres de
thermodynamique et de transport intervenant dans le modèle est réalisée. Enfin une modélisation
du carburant kér osène est proposée et évaluée. Le Chapitre 7 présente une méthodologie
développée pour prendre en compte, dans un code adapté aux écoulements dispersés,
l’injection de carburant liquide par un atomiseur pressurisé-swirlé. La mise en oeuvre de la
méthodologie dans une géométrie complexe est également présentée.112Chapitre 6
Év aluation du mo dèle
d’év ap oration d’ A vbp et
application au k érosène
Sommaire
6.1 Présen tation des différen tes mo délisations p our l’év ap oration . 112
6.1.1 Description du procédé d’évaporation . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.1.2 Diffusion dans la phase gazeuse (1 & 4) . . . . . . . . . . . . . . 112
6.1.3 Diffusion thermique dans la goutte (2) . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.4 Modélisation de l’interface gaz-liquide (3) . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.5 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Év aluation du mo dèle reten u dans A vbp . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.1 Formulations pour l’évaluation des propriétés du mélange gazeux 119
6.2.2 Evaporation de gouttes isolées de n-heptane . . . . . . . . . . . . 122
6.3 Mo délisation du k érosène liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.1 Propriétés thermodynamiques du KERO LUCHE . . . . . . . . . 130
6.3.2 diffusives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.3 Propriétés du liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4 Év aluation de la mo délisation du k érosène en év ap oration . . . 131
6.4.1 Évaluation de la vitesse de régression de la surface des gouttes de
kérosène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4.2 Évaluation des temps caractéristiques du processus d’évaporation
pour le kérosène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Évaluation du modèle d’évaporation d’ A vbp et application au kérosène
6.1 Présen tation des différen tes mo délisations p our l’év ap
oration
6.1.1 Description du pro cédé d’év ap oration
Dans cette section, un aperçu des différents degrés de modélisation du procédé
d’évaporation est présenté pour comprendre les choix de mo faits dans A vbp et
connaître les limitations du modèle décrit au paragraphe §-3.2.4. De nombreuses revues
et comparaisons des différents modèles d’évaporation peuvent être trouvées dans la
littérature (Miller et al., 1998; Sirignano, 1999; Sazhin, 2006; Sazhin et al., 2006; Laurent,
2008).
L’évaporation de gouttes de liquide dans un gaz peut être décomposé en différents
phénomènes physiques successifs et/ou coexistants :
1. Diffusion de la chaleur du gaz vers la surfac e de la goutte
L’énergie nécessaire pour l’évaporation du carburant est apportée par le gaz
environnant les gouttes. La chaleur est diffusée du gaz vers la surface de la goutte. D’autres
effets comme le rayonnement peuvent également contribuer à fournir l’énergie
nécessaire à la goutte pour s’évaporer.
2. Diffusion de la chaleur dans la goutte
Le flux de chaleur reçu par la goutte via la surface d’échange se diffuse
progressivement dans la goutte. La température à l’intérieur de la goutte augmente.
3. Pr o c essus de vap orisation
Les molécules de carburant se détachent de l’interface liquide/gaz pour rejoindre la
phase gazeuse.
4. Diffusion du c arbur ant de la surfac e de la goutte vers le gaz
Les molécules de carburant à l’état gazeux formées à la surface de la goutte sont
transportées vers le gaz
environnant.
Unmodèled’évaporationcorrespondàunchoixdemodélisationpourchacundecesphénomènes physiques (Sazhin, 2006). Les phénomènes de transports thermique et massique
dans la phase gazeuse dépendent du type d’écoulement qui s’établit autour des gouttes
et des propriétés de transport du carburant dans le gaz et des conditions (température et
composition) loin de la goutte. De la même façon, la diffusion thermique dans la goutte
dépend de l’écoulement dans la goutte et des propriétés de transport du carburant. Enfin
plusieurs hypothèses peuvent être faites sur l’état de l’interface gaz-liquide.
1146.1 Présentation des différentes modélisations pour l’évaporation
6.1.2 Diffusion dans la phase gazeuse (1 & 4)
La plupart des modèles d’évaporation suppose que le problème de diffusion dans le gaz
est à symétrie sphérique : les gouttes sont indéformables et le gaz est immobile dans le
référentiel lié au centre de la goutte. Les effets de convection naturelle ou forcée peuvent
modifier l’écoulement autour de la goutte. Une couche limite peut alors se former en amont
de la goutte et se décoller en aval. Les modèles de diffusion dans le gaz peuvent être classés
selon la hiérarchie suivante :
11. Mo dèle à symétrie sphérique
Le gaz est immobile autour de la goutte. Des corrélations prenant en compte le
Reynolds particulaire des gouttes, peuvent modifier les coefficients de Nu et Sh qui
mesurent l’efficacité des échanges thermique et massique, respectivement, autour de
la goutte.
2. Mo dèle de c ouche limite
Il s’agit d’un modèle à symétrie sphérique mais l’effet de la couche limite autour de
2la goutte soufflée par la vapeur de carburant est pris en compte via des facteurs de
correction (Abramzon & Sirignano, 1989; Yao et al., 2003).
3. R ésolution de l’é c oulement autour des gouttes
L’écoulement gazeux est résolu autour de la goutte sphérique afin de prédire
localement les flux thermique et massique près de la surface de la goutte (Sirignano, 1999).
Zhu et al. (2001) ont montré que les effets de non-stationnarité de l’écoulement
gazeux pouvaient augmenter très fortement le taux d’évaporation dans des conditions
de pression élevées.
Pour simplifier la résolution des équations de diffusion thermique et moléculaire, dans
la majorité des modèles rencontrés dans la littérature, les propriétés de transport sont
supposées constantes entre la surface de la gouttes et l’écoulement à l’infini, cf. §-3.2.4. Il
faut garder à l’esprit que l’évaluation du flux de chaleur apporté à la goutte et du flux de
masse évaporé dépend fortement de l’évaluation de ces coefficients (Miller et al., 1998).
Cette dépendance sera étudiée à la section suivante.
6.1.3 Diffusion thermique dans la goutte (2)
Dans les codes de CFD, l’écoulement dans la goutte est très souvent négligé et la
diffusion thermique dans la goutte est centripète. Il existe également des modèles qui
prennent en compte la formation de deux zones contrarotatives liées au cisaillement à la
surface de la goutte du à l’écoulement externe. Les modèles de diffusion de température
dans la goutte suivent la hiérarchie suivante :
1 Il s’agit du mo dèle implan té dans A vbp, cf. § - 3.2.4.
2 En anglais, on parle de film-the ory.
115Évaluation du modèle d’évaporation d’ A vbp et application au kérosène
1. Mo dèle à temp ér atur e c onstante
La température dans la goutte est supposée constante dans le temps et l’espace.
L’intégralité de l’énergie apportée par le gaz sert au processus d’évaporation. Si les
conditions à l’infini sont supposées constantes (température du gaz environnant et
concentration du carburant dans le gaz environnant) alors on obtient que la variation
2delasurfacedelagoutteestlinéairedansletemps:ils’agitdela loi du d :l’évolution
temporelle de la surface de la goutte est linéaire. La température de la goutte est
nécessairement la température dite humide ou températur