Simulations aux grandes échelles de l’écoulement diphasique dans un brûleur aéronautique par une approche Euler-Lagrange, Large-Eddy Simulation of the two-phase flow in an aeronautical combustor using an Euler-Lagrange approach

Jean-Mathieu Senoner

Description

Sous la direction de Bénédicte Cuenot, Rémi Abgrall
Thèse soutenue le 09 juin 2010: INPT
Les turbines à gaz aéronautiques doivent satisfaire des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d’air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement turbulent gazeux. La simulation aux grandes échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est d’évaluer l'impact de modèles d'injection simplifiés sur la SGE de l'écoulement diphasique évaporant d’une configuration complexe. La configuration cible choisie est un brûleur aéronautique installé sur le banc expérimental MERCATO. Le banc expérimental est equipé d’un système d’injection d'air vrillé et d’un système d'injection liquide avec un atomiseur pressurisé swirlé représentatif de foyers aéronautiques réels. Dans un premier temps, un modèle d'injection simplifié pour atomiseurs pressurisés swirlés négligeant les effets de l'atomisation sur la dynamique du spray est présenté. L'objectif principal de ce modèle réside dans la reproduction de conditions d’injection similaires pour des traitements Eulériens et Lagrangiens de la phase particulaire. Dans un second temps, la composante Lagrangienne de ce modèle d'injection est combinée à un modèle d'atomisation secondaire de la litérature pour permettre une prise en compte partielle des phénomènes de pulvérisation liquide. Les SGE de l'écoulement diphasique évaporant de la configuration MERCATO présentées comportent deux aspects. Premièrement, différents modèles d’injection sont évalués pour quantifier leur impact sur la dynamique de la phase particulaire. Deuxièmement, une comparaison de simulations Euler-Euler et Euler-Lagrange reposant sur un modèle d'injection unifié est effectuée.
-Simulation aux grandes échelles
-Ecoulements diphasiques
-Approche Euler-Lagrange
-Injection liquide
-Evaporation
Aeroautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flowfield. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objective of this thesis is to evaluate the impact of simplified injection methods on the LES of the evaporating two-phase flow inside a complex geometry. The chosen target configuration is an aeronautical combustor installed on the MERCATO test-rig. The experimental setup includes an air-swirler injection system and a pressureswirl atomizer typical of realistic aeronautic combustors. In a first step, a simplified injection model for pressure swirl atomizers neglecting the impact of liquid disintegration on spray dynamics is presented. The main objective of this model lies in the reproduction of similar injection conditions for Eulerian and Lagrangian representations of the dispersed phase. In a second step, the Lagrangian injection method is combined to a secondary breakup model of the literature to partly account for the liquid disintegration process. The presented LES’s of the evaporating two-phase flow inside the MERCATO geometry consider two different aspects. First, the impact of injection modeling on spray dynamics is assessed. Second, Euler-Euler and Euler-Lagrange simulations relying on the common simplified injection model are compared.
-Large-eddy simulation
-Two-phase flows
-Euler-Lagrange approach
-Liquid injection
-Evaporation
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0024/document

Sujets

• Évaporation

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 38
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

THESE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE ’

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides


Présentée et soutenue par Jean-Mathieu Senoner
Le 9 juin 2010

Simulation aux Grandes Échelles de l’écoulement diphasique
dans un brûleur aéronautique par une approche Euler-Lagrange

JURY
F.X. DEMOULIN Maître de conférences à l’Université de Rouen/CORIA Rapporteur
P. BRUEL Chargé de recherche à l’UPPA Rapporteur
G. LAVERGNE Professeur à l’ISAE / Onera Toulouse Examinateur
M. LANCE Professeur à l’Université Claude Bernard de Lyon Examinateur
B. OESTERLE Professeur à l’ESSTIN Examinateur
B. CUENOT Chercheur senior au CERFACS Directrice de thèse
T. LEDERLIN Ingénieur à Turbomeca Membre Invité
C. HABCHI Ingénieur de recherche à l’IFP Membre Invité


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur de Thèse : Bénédicte Cuenot
Co-Directeur de Thèse : Rémi Abgrall

Contents
PART I THE INDUSTRIAL CONTEXT
Chapter1: Generalintroduction
1.1 Combustionoffossilfuels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Environmental context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Towards lean combustioninaeronauticengines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Numericalsimulationofrealisticcombustionsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Modeling of the gaseousphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 of the dispersedphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Objectivesofthepresentwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Previous developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Plan of the thesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
PART II GOVERNING EQUATIONS AND NUMERICS
Chapter2: Equationsforthegaseousphase
2.1 Conservationequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Stress tensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Specific energy andthermodynamicrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.4 Diffusive species flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5 Heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.6 Chemical source terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.7 Transport properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
iContents
2.2 Large-EddySimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Basic aspects of turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Resolution levels inturbulencesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Filtered equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Subgrid closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.5 Subgrid scale models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Chapter3: Equationsfortheparticlephase
3.1 Lagrangianequationsofmotionforanisolatedparticle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Generalized Basset-Boussinesq-Oseenequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Generalized drag force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.3 Momentum equationimplementedinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Evaporationofanisolatedparticle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Mass transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Determination of thermodynamicquantitiesovertheintegrationpath . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Interactionbetweenfluidandparticlephase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Interphase exchangeterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Interaction with turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 LagrangianMonte-Carloapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 MesoscopicEulerianapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6 Characteristicdiametersofaspray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Chapter4: Numerics
4.1 TheLESsolverAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Thefinitevolumeapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 Domain discretization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Cell-vertex approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 ConvectiveschemesinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 The Lax-Wendroff scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.2 Taylor-Galerkin schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Viscousandartificialdiffusionoperators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.1 2Δ diffusion operator(vertex-centered) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Artificial viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Sourceterms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.1 Vertex-centered sourceterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iiContents
4.5.2 Finite-element sourceterm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 Timeadvancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.7 NumericsintheLagrangiansolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.1 Time advancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.2 Interpolation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.3 Coupling betweenphases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.7.4 Particle-wall interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
PART III SPRAY MODELING
Chapter5: Liquidinjection
5.1 Liquiddisintegrationmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.1 Primary atomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.2 Secondary breakup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.3 Numerical tools for thesimulationofprimaryatomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.4 Reynolds AveragedNavierStokesmethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 TheFIMURapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Methodolgy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.2 Flow fieldinside pressureswirlatomizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.3 FIMUR in the Euler-Eulerapproach . . . . . . . . . . . . .