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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L''UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Energie et Transferts O. GICQUEL H. PITSCH W. JONES J-F. PAUWELS E.S. RICHARDSON A. ROUX B. CUENOT JURY Professeur - Ecole Centrale de Paris Professeur - RWTH Aachen University Professeur - Imperial College of London Professeur - Université Lille 1 Chercheur - University of Southampton Ingénieur - Turbomeca Chercheur Senior au CERFACS Rapporteur Rapporteur Examinateur Président Examinateur Invité Directeur de thèse École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Unité de recherche : CERFACS Directeur de Thèse : Bénédicte CUENOT Co-encadrant : Olivier VERMOREL Par Benedetta Giulia FRANZELLI Date de soutenance : 19 septembre 2011 IMPACT OF THE CHEMICAL DESCRIPTION ON DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS AND LARGE EDDY SIMULATIONS OF TURBULENT COMBUSTION IN INDUSTRIAL AERO-ENGINES

  • ecole doctoral

  • simulation numérique

  • rapporteur rapporteur

  • configuration

  • london professeur

  • turbulent combustion

  • large eddy

  • professeur - ecole centrale de paris professeur


Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 270
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THESE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE ’

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Energie et Transferts


Par Benedetta Giulia FRANZELLI
Date de soutenance : 19 septembre 2011

IMPACT OF THE CHEMICAL DESCRIPTION ON DIRECT NUMERICAL
SIMULATIONS AND LARGE EDDY SIMULATIONS OF TURBULENT
COMBUSTION IN INDUSTRIAL AERO-ENGINES

JURY

O. GICQUEL Professeur - Ecole Centrale de Paris Rapporteur
H. PITSCH Professeur - RWTH Aachen University Rapporteur
W. JONES Professeur - Imperial College of London Examinateur
J-F. PAUWELS Professeur - Université Lille 1 Président
E.S. RICHARDSON Chercheur - University of Southampton Examinateur
A. ROUX Ingénieur - Turbomeca Invité
B. CUENOT Chercheur Senior au CERFACS Directeur de thèse


École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur de Thèse : Bénédicte CUENOT
Co-encadrant : Olivier VERMOREL
Résumé
Ledéveloppementdenouvellestechnologiespourletransportaérienmoinspolluantestde
plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la
chimie.
Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes
détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est
limitéeparlecoûtcalcul. Desmécanismescinétiquesréduitsetdesméthodesdetabulationont
été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été
développéesdanslecadredeconfigurationslaminaires,cettethèseproposedelesévaluerdans
desconfigurationsturbulentes: uneDNSdeflammeprémélangéeméthane/airdetypeBunsen
etuneLESd’unbrûleurexpérimental. Lesmécanismessontanalysésentermesdestructurede
flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en
espècesmajoritairesetdesémissionspolluantes.
Uneméthodologiepourévaluerapriorilacapacitéd’unmécanismeàprédirecorrectementdes
phénomèneschimiquestridimensionnelsestproposéeensebasantsurlesrésultatsdeflammes
laminairesmonodimensionnellesnonétiréesetétirées. Ilressortque,d’unepart,pourconstru-
ire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse
et qualité des résultats. D’autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations
tridimensionnellesturbulentespeutêtreanticipéeparuneanalyseducomportementdessché-
mas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires
nonétiréesetétirées.
Mots-clés: mécanismecinétiqueréduit,combustionturbulente,simulationnumériquedirecte,
simulationauxgrandeséchelles.
Abstract
Agrowingneedfornumericalsimulationsbasedonreliablechemistrieshasbeenobserved
in the last years in order to develop new technologies which could guarantee the reduction of
theenviromentalimpactonairtransport.
Thedescriptionofcombustionrequirestheuseofdetailedkineticmechanismsformosthydro-
carbons. Theiruseinturbulentcombustionsimulationisstillprohibitivebecauseoftheirhigh
computationalcost. Reducedchemistriesandtabulationmethodshavebeenproposedtoover-
comethisproblem. Sinceallthesereductionshavebeendevelopedforlaminarconfigurations,
this thesis proposes to evaluate their performances in simulations of turbulent configurations
such as a DNS of a premixed Bunsen methane/air flame and a LES of an experimental PREC-
CINSTA burner. The mechanisms are analysed in terms of flame structure, global burning
parameters,flamelength,predictionofmajorspeciesconcentrationsandpollutantemissions.
An a priori methodology based on one-dimensional unstrained and strained laminar flames
to evaluate the mechanism capability to predict three-dimensional turbulent flame features is
therefore proposed. On the one hand when building a new reduced scheme, its requirements
shouldbefixedcompromisingthecomputationalcost, therobustnessofthechemicaldescrip-
tion and the desired quality of results. On the other hand, the quality of DNS or LES results
in three-dimensional configurations could be anticipated testing the reduced mechanism on
laminarone-dimensionalpremixedunstrainedandstrainedflames.
Keywords: reducedchemistries,turbulentcombustion,directnumericalsimulation,largeeddy
simulation.!
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-)('+!",%./%+$%!Contents
Introduction 1
I Generalfeaturesonturbulentcombustion 13
1 Turbulentpremixedcombustion 15
1.1 Conservationequationsforreactingflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.1 FilteringandLargeEddySimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Turbulentpremixedcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1 Combustionregimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2 Turbulentflamespeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.3 CombustionmodellingforLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3 Chemistryforturbulentcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.1 Skeletalmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.2 Reducedchemicalmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.3 Manifoldgenerationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 CFDtools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
II Chemistrymodelsforturbulentcombustion 39
2 Majorpropertiesoflaminarpremixedmethane/airflames 41
2.1 Oxidationofmethane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41CONTENTS
2.2 Unstrainedpremixedflames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Strainedpremixedflames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Chemistryforpremixedmethane/airflames 61
3.1 Reducedmechanismsforlaminarpremixedflame . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Simplifiedtransportproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.2 Thetwo-stepmechanisms: 2S_CH4_BFERand2S_CH4_BFER* . 64
3.1.3 Thefour-step JONESandJONES* . . . . . . . . . . 70
3.1.4 Theanalyticalmechanisms: PETERSandPETERS* . . . . . . . . 73
3.1.5 TheSESHADRIandSESHADRI*mechanisms . . . . . . . . . . . 75
3.1.6 TheLUmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.7 ImplementationofreducedmechanismsinCFDtools . . . . . . . 77
3.2 Comparisonbetweenreducedmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.1 Comparisonbetweenreducedmechanismsonunstrainedflames 81
3.2.2betweenreducedonstrainedflames . . 88
3.3 TheFPI_TTCtabulationmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4 Towards turbulent combustion: generalization of the thickened flame
method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
III Validation and impact of chemistry modeling in unsteady
turbulentcombustionsimulations 105
4 Impact of reduced chemistry on turbulent combustion: Direct Numerical
Simulationofaperfectlypremixedmethane/airflame 107
4.1 Flame/vortexinteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.1 Numericalconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.2 Stretchrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
ivCONTENTS
4.1.3 Comparisonofthedifferentreducedmechanisms . . . . . . . . . 112
4.2 DNSofhomogeneousisotropicturbulentfieldwithflame . . . . . . . . 120
4.2.1 NumericalconfigurationandinitializationoftheHITfield . . . . 121
4.2.2 Temporalevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.3 Comparisonofthedifferentreducedmechanisms . . . . . . . . . 126
4.2.4 Preliminaryconclusionsonacademicconfigurations . . . . . . . 134
4.3 DNSofstationaryleanpremixedBunsenflame . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.3.1 Numericalconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5 Impact of the reduced chemical mechanisms on LES of a lean partially pre-
mixedswirledflame 149
5.1 ThePRECCINSTAburner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.1.1 Experimentalmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2 Thenumericalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.1 Mesh,numericalmethodandboundaryconditions . . . . . . . . 153
5.2.2 Artificiallythickenedflamemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3 Analysisofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3.1 Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3.2 Meanandfluctuatingquantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.3.3 Meanflamesurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.3.4 Towardspollutantemissionprediction: thepost-flamezone . . . 172
5.3.5 Impactofmeshrefinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.4 Generalremarksandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6 Large-Eddy Simulation of instabilities in a lean partially premixed swirled
flame 183
vCONTENTS
6.1 Article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.1.1 Theswirledpremixedburnerconfiguration . . . . . . . . . . . . . 185
6.1.2 LargeEddysimulationforgasturbines . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.1.3 Resultsanddiscussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Generalconclusions 201
Bibliography 215
Acknowledgements 228
Partieenfrançais 231
AppendixA 245
vi

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