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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Numero d'ordre : 2352 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Directeur de these : Thierry POINSOT Ecole doctorale : TYFEP Specialite : Dynamique des Fluides Par M. Stephane PASCAUD Vers la simulation aux grandes echelles des ecoulements turbulents diphasiques reactifs : application aux foyers aeronautiques These soutenue le 28 juin 2006 devant le jury compose de : REVEILLON Julien Maıtre de conferences CORIA Rapporteur GOKALP Iskender Directeur de Recherche CNRS LCSR Rapporteur SIMONIN Olivier Professeur des universites IMFT Membre POINSOT Thierry Directeur de Recherche CNRS IMFT Membre ESTIVALEZES Jean-Luc Ingenieur de recherche ONERA Membre CAZALENS Michel Expert Senior Combustion SNECMA Membre BERAT Claude Chef du Service Combustion TURBOMECA Invite Reference du CERFACS : TH/CFD/06/44

  • formalisme eulerien pour le diphasique

  • combustion - turbulence - diphasique - tur- boreacteur aeronautique - allumage

  • foyer aeronautique

  • membre de jury

  • spray combustion

  • perturbation acoustique sur la dynamique de flamme

  • combustion


Publié le : jeudi 1 juin 2006
Lecture(s) : 52
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 110
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Numero´ d’ordre:2352
`THESE
present´ ee´ pourobtenirletitrede
DOCTEURDE
L’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUE
DETOULOUSE
Directeur de these: ThierryPOINSOT`
Ecole doctorale: TYFEP
Specialit´ e´ : DynamiquedesFluides
ParM.Stephane´ PASCAUD
Verslasimulationauxgrandesechelles´
desecoulements´ turbulentsdiphasiquesreactifs´ :
applicationauxfoyersaeronautiques´
These` soutenuele28juin2006devantlejurycompose´ de:
REVEILLONJulien Maˆıtredeconferences´ CORIA Rapporteur
GOKALPIskender DirecteurdeRechercheCNRS LCSR
SIMONINOlivier Professeurdesuniversites´ IMFT Membre
POINSOTThierry DirecteurdeRechercheCNRS IMFT
ESTIVALEZESJean Luc Ingenieur´ derecherche ONERA Membre
CAZALENSMichel ExpertSeniorCombustion SNECMA
BERATClaude ChefduServiceCombustion TURBOMECA Invite´
Ref´ erence´ duCERFACS:TH/CFD/06/44VerslaSGEdesecoulements´ turbulentsdiphasiquesreactifs´ :
applicationauxfoyersaer´ onautiques
Dans le processus de conception d’un foyer aeronautique,´ le re allumage´ en altitude est, bien avant
la consommation ou la pollution, le critere` limitant. Ce phenom´ ene` mettant en jeu la turbulence, les
ecoulements´ diphasiques et la thermochimie, la faisabilite´ d’un outil numerique´ capable de simuler
ce processus fortement instationnaire doit etreˆ demontr´ ee.´ La premiere` partie de cette these` detaille´
le dev´ eloppement d’un code parallele` combinant une approche aux grandes echelles,´ un formalisme
eulerien´ pourlediphasiqueetunmodele` deflammeepaissie´ dynamiquement.Danslasecondepartie,ce
code est applique´ a` un foyer aeronautique´ industriel. En regime´ etabli,´ les mecanismes´ de stabilisation
de la flamme diphasique sont detaill´ es´ en insistant sur l’influence du processus d’ev´ aporation. La simu
lation d’une phase d’allumage est ensuite realis´ ee´ de la naissance de la flamme a` sa stabilisation pres`
de l’injecteur de carburant liquide. Enfin, l’influence d’une perturbation acoustique sur la dynamique de
flammeestdetaill´ ee.´
Keywords: Simulation aux Grandes Echelles (SGE) - Combustion - Turbulence - Diphasique - Tur-
boreacteur´ aeronautique´ -Allumage
TowardsLESofturbulentspraycombustion:
applicationinaeronauticalgasturbines
Themostimportantcriterionduringtheconceptionofanaeronauticalburner,evencomparedtoconsump
tion or pollution, is the altitude re ignition. Because of the phenomena involved as turbulence, spray
dynamics and thermochemistry, the feasibility of a numerical tool able to simulate such an unsteady
sequence must be demonstrated. First, the development of a parallel solver using an LES approach, an
eulerianframeworkandaDynamicallyThickenedFlamemodelisdetailed.Thissolveristhenappliedto
a realistic aeronautical combustor. Stabilisation mechanisms of spray combustion are detailed insisting
ontheevaporationprocesseffects.Thesimulationofanignitionsequenceisthenrealisedfromthebirth
oftheflametoitsstabilisationnearthefuelinjector.Finally,theacousticperturbationinfluenceonspray
flamedynamicsisdetailed.
Keywords: Large Eddy Simulation (LES) - Combustion - Turbulence - Spray - Aeronautical burner
-IgnitionRemerciements
Mercia` ThierryPOINSOTetBen´ edicte´ CUENOTpourm’avoiraccueilliauseindel’equipe´ AVBP,avoir
dirige´ mon travail intelligemment et avoir partage´ leur savoir dans une ambiance conviviale. Un merci
toutparticuliera` Ben´ edicte´ poursonsoutienlorsdelaredaction´ decemanuscrit.
´Je remercie Iskender GOKALP et Julien REVEILLON d’avoir accepte de faire partie de mon jury
de these` en tant que rapporteurs. Je suis tres` honore´ par la presence´ de ces deux specialistes´ de la
modelisation´ delacombustionturbulente.
Je remercie eg´ alement Olivier Simonin, specialiste´ de la modelisation´ des ecoulements´ diphasiques,
d’avoiraccepte´ d’etreˆ membredemonjurydethese.` Jesuiseg´ alementtres` honore´ decompterparmiles
membresdujuryJean LucEstivalezes,sp ecialiste´ delamodelisation´ del’injectionliquide.
Cette these` s’inscrit dans le Projet d’Etudes Amont Etna finance´ par la DGA, Snecma et Turbomeca. Je
tiens a` remercier les industriels a` l’initiative du PEA represent´ es´ dans le jury par Michel CAZALENS
(expertseniorcombustion,Snecma)etClaudeBERAT(chefdugroupecombustion,Turbomeca).
Jeremercielepersonneladministratifetl’equipe´ CSGpourleurgentillesseetleurdisponibilite.´ Jetiens
´ ` ´´egalement a remercier chaleureusement les seniors, doctorants et post doctorants qui ont cr ee une at
mosphere` detravailtres` agreable´ pendantmesquatreannees´ auCERFACS.
Un merci tout particulier a` mes collegues` et amis Matthieu le saint orennais (”on dit chocolatine”) et
Ludovic l’arrageois (”on dit p’tit pain”) pour avoir reussi´ a` supporter la salsa dans le bureau pendant
quatre annees´ ! Je n’oublierai pas nos moments de delire´ (”... Kentucky!”) et nos parties de frisbee
derriere` leCERFACSapres` unpique niqueimprovis e´ a` l’ombreducerisier.
Merci a` mes parents et a` ma soeur pour leur sens pedagogique´ lorsqu’il fallait expliquer a` d’autres
personnescequeStephane´ faisaitdesesjournees´ a` Toulouse...
Enfin,untendremercia` Delphine,laplusjoliesalseradelavillerose,pournosrandoslelongdulittoral
basqueetdanslescoteauxˆ gersois(jen’oubliepas Damau, Methys´ et La¨ıka!).Tabledesmatier` es
´ ´Introductiongenerale 1
I SimulationauxGrandesEchellesdesecoulements´ reactifs´ diphasiques 7
1 Etatdel’art 11
1.1 Besoindesindustriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Outilsnumeriques´ actuellementutilises´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Specificit´ es´ delacombustiondiphasiqueturbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Combustion/Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Ecoulementsdiphasiques/Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3diphasiques/Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Structuredesflammesdiphasiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Bibliographiedesetudes´ SGEencombustiondiphasique . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 SimulationauxGrandesEchellesdesecoulements´ reactifs´ 21
2.1 Introductionsurlecode AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 ConceptdelaSGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Formalismemulti esp eces` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Variablesthermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Equationd’etat´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23`TABLE DES MATIERES
2.3.4 Coefficientsdetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5 Conservationdelamasseetvitessedecorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Equationsdeconservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Termesnonvisqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.2 Termesvisqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.3 Termesdesous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Modelisation´ delaviscosite´ turbulentedesous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Modelisation´ delacombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1 Cinetique´ chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Lemodele` deflammeepaissie´ dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Modelisation´ delaphasedispersee´ 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Approcheslagrangienneseteuleriennes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Descriptionduformalismeeulerien´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Equationsdeconservationdelaphasedispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Hypotheses` simplificatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Equationsdeconservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Modelisation´ destermesdedroite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 LetermeΓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
3.4.2 LetermeI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412,i
3.4.3 LetermeΠ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
3.5 Modificationspourlaphaseporteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Aspectsnumeriques´ 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Lecode AVBP applique´ auxecoulements´ gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
ii`TABLE DES MATIERES
4.2.1 Descriptiongen´ erale´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.2 Methode´ cell vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.3 Viscosite´ artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.4 Conditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Choixnumeriques´ associes´ a` laphasedispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Tempsdecalcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.2 Viscosite´ artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.3 Conditionslimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.4 Seuillageduprocessusd’ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Flammelaminairehomogene` 53
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Solutionanalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Resultats´ delasimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 Synthese` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II Applicationa` unfoyeraer´ onautique 61
6 Ecoulementreactif´ enregime´ etabli´ 65
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
´ ´6.2 Descriptiondufoyeretudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.1 Geom´ etrie´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.2 Maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.2.3 Pointdefonctionnementetudi´ e´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2.4 Profilsdevitessesdelaphaseporteuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.5 Nombresadimensionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.6 Phaseliquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.7 Determination´ delachimiea` uneetape´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
iii`TABLE DES MATIERES
6.3 Analysedel’ecoulement´ sanscombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.2 Dynamiquedelaphaseporteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.3 Dispersiondelaphasedispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.4 Tauxd’ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
´6.3.5 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.6 Melange´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3.7 Comparaisonavecuneinjectiongazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.8 Synthese` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.4 Analysedel’ecoulement´ aveccombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.4.2 Aspectsnumeriques´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.4.3 Dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4.4 Dispersiondelaphasedispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4.5 Tauxd’ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.6 Temperature´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4.7 Melange´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.8 Structuredeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.9 Mecanismes´ destabilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.10 Diagrammesdefractiondemelange´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.11 ComparaisonaveclecodeRANS N3S-NATUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.5 Synthese` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7 Allumage 97
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2 Aspectsnumeriques´ etdep´ otˆ d’ener´ gie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
´7.3 Resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3.1 Premiersinstantsdel’allumage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
iv`TABLE DES MATIERES
7.3.2 Centreduvolumededep´ otˆ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3.3 Extrema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4 Delabougiea` lapositionstabilisee...´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4.1 Carburantev´ apore´ etfrontdeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4.2 Tauxd’ev´ aporationetepaississement´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.5 Synthese` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8 Influencedel’acoustique 109
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2 Phenom´ enologie´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.2.1 Injectiondecarburantgazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.2.2 Injectiondecarburantliquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.3 Methode´ deforc¸age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.3.1 Variable,frequence´ etamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.3.2 Modespropres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.4 Fonctiondetransfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.5 Resultats´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.5.1 Fonctiondetransfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.5.2 Influencedel’acoustiquesurladispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.5.3 Influencedesurl’ev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.5.4 Fonctiondetransfertetev´ aporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.6 Synthese` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Conclusiongen´ erale´ etperspectives 121
Bibliographie 131
v`TABLE DES MATIERES
III Annexes 133
A Solutionanalytiqued’uneflammediphasique1D 137
B LESofturbulentspraycombustioninaeronauticalgasturbines[67] 147
C LESofsteadysprayflameandignitionsequencesinaeronauticalcombustors[68] 169
viListedessymboles
Lettresromaines H enthalpie
M reactif´ etproduit hsensibleskj
Q variabled’avancement HP(·) filtrepasse hautj
R constanteuniverselledesgazparfaits J fluxdiffusifi,j
4 tailledumaillageetdufiltreLES K constantedelareaction´ inverseeq
A constantepre e´ xponentielle Kdelareaction´ directef,j
a tauxd’etirement´ K constantedelareaction´ inverseT f,j
c vitesseduson M nombredereactions´
C capacite´ calorifiquea` pressionconstante N nombred’especes`p
C constantedumodele` deSmagorinskyfiltre´ N nombredecellulesdanslefrontdeflammeS cF
Cdumodele` dey P pressionS
C capacite´ calorifiquea` volumeconstant P pressionderef´ erence´v 0
C constantedumodele` WALE q fluxdechaleurw i
D diametre` delaflammespherique´ S entropief
D coefficientbinaire S senseurpourl’epaississement´ij
D diffusivite´ danslemelange´ s entropiesensiblek
D diametre` dessuiesdeg´ agees´ S tenseurdesvitessesdedeformation´s i,j
D diffusivite´ thermique S vitessedeflammelaminaireLth
E efficacite´ S vitessedeflammeturbulenteT
E ener´ gieparunite´ demasse T temperature´
E ener´ gied’activation T temperature´ deref´ erence´a 0
´ `e energiesensible t tempsdecombustioncompletes b
er` eF epaississement´ u 1 composantedevitesse
g gravite´ V vecteurvitesse
eme`g gradientdevitesseresolu´ v 2 composantedevitesseij

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