PDF Introduction 1e 2e et 3e parties

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Numéro d'ordre : 2517 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : TYFEP Spécialité : Dynamique des Fluides Directeur de thèse : Bénédicte CUENOT Par Matthieu BOILEAU Simulation aux grandes échelles de l'allumage diphasique des foyers aéronautiques Soutenue le 10 octobre 2007 devant le jury composé de : I. GÖKALP LCSR, Orléans Rapporteur L. VERVISCH INSA de Rouen Rapporteur M. CAZALENS SNECMA Villaroche Examinateur C. COLIN INP de Toulouse Examinateur D. VEYNANTE EM2C, Châtenay-Malabry Examinateur P. VILLEDIEU INSA de Toulouse Examinateur B. CUENOT CERFACS, Toulouse Directeur de thèse Réf. CERFACS : TH/CFD/07/103

  • réactif

  • châtenay-malabry examinateur

  • analyse des mécanismes de production et de destruction de la variance de vapeur

  • écoulement réactif en régime stationnaire

  • vervisch insa de rouen rapporteur

  • topologie de l'écoulement

  • colin inp de toulouse examinateur

  • équations de conservation pour la phase


Publié le : lundi 1 octobre 2007
Lecture(s) : 80
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 237
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Numérod’ordre:2517
THÈSE
présentéepourobtenirletitrede
DOCTEURDE
L’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUE
DETOULOUSE
Écoledoctorale: TYFEP
Spécialité: DynamiquedesFluides
Directeurdethèse: BénédicteCUENOT
ParMatthieuBOILEAU
Simulationauxgrandeséchellesdel’allumagediphasique
desfoyersaéronautiques
Soutenuele10octobre2007devantlejurycomposéde:
I.GÖKALP LCSR,Orléans Rapporteur
L.VERVISCH INSAdeRouen
M.CAZALENS SNECMAVillaroche Examinateur
C.COLIN INPdeToulouse
D.VEYNANTE EM2C,Châtenay-Malabry
P.VILLEDIEU INSAdeToulouse Examinateur
B.CUENOT CERFACS,Toulouse Directeurdethèse
Réf.CERFACS:TH/CFD/07/103Tabledesmatières
Tabledesmatières 3
Remerciements 7
Listedessymboles 9
1 Introductiongénérale 15
1.1 Contexteindustriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Étatdel’artencombustiondiphasique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3 Objectifdel’étudeetchoixméthodologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4 Organisationdumanuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
I Équationsetmodèlespourlesécoulementsturbulentsdiphasiquesréactifs 41
2 Équationsdeconservationpourlesécoulementsgazeuxréactifs 47
2.1 Équationsetvariablesconservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Variablesthermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Équationd’étatdesgazparfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4 Diffusionmoléculairemulti-espèces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 Diffusiondelachaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6 Coefficientsdetransportdiffusif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 Cinétiquechimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52TABLE DES MATIÈRES
3 Équationsdeconservationpourlaphasedispersée 55
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Deladescriptionstatistiquedusprayauxéquationsdeconservationeulériennes ..... 59
3.3 Modèlesdefermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 ÉquationspourlaLESdiphasiqueréactive 81
4.1 Simulationauxgrandeséchelles(SGEouLES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 ÉquationsLESpourlaphasegazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Modèlesdesous-maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 ÉquationsLESpourlaphasedispersée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5 Modèlesdesous-maillepourlaphasedispersée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.6 Modèledecombustionturbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7 Modélisationdelachimiedukérosène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Approchenumérique 113
5.1 DiscrétisationCell-Vertex.................................. 113
5.2 Schémasnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3 Modèlesdeviscositéartificielle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.4 Maillages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5 Parallélismeetperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.6 Conditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
II Interactionturbulence-évaporation-flamme 127
6 Évaporationdegouttesdansuneturbulencehomogèneisotrope 131
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2 Descriptionducastest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 Dynamiquedelaphasegazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4TABLEDESMATIÈRES
6.4 Bilansdemasseetd’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.5 Comparaisonavecl’approchelagrangienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6 Analysedesmécanismesdeproductionetdedestructiondelavariancedevapeur .... 147
6.7 Tauxd’évaporationfiltréenLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7 Flammeslaminairesdiphasiques 157
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.2 Flammediphasiquehomogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.3 Flammesaturée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
III Combustiondiphasiquedansunsecteurdefoyeraéronautique 199
8 Écoulementréactifenrégimestationnaire 203
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.2 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.3 Aérodynamiquedel’écoulementnonréactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.4 Topologiedel’écoulementetmécanismedestabilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.5 Structuredeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9 Allumaged’unsecteurdechambre 223
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.3 Diagnosticstemporels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.4 Analysedeschampsinstantanés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.5 Analyselocale1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5TABLE DES MATIÈRES
IV Allumaged’unfoyercompletdechambredecombustion 237
Introduction 239
LESofanignitionsequenceinafullhelicoptercombustor 240
Compléments 263
Influencedelarépartitiondecarburantliquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Comparaisonavecl’allumageencarburationgazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Conclusiongénérale 269
Bibliographie 273
Annexes 293
A Bilandemasseetd’énergiedanslaTHIavecévaporation 293
B Articlesoumisà Flow, Turbulence and Combustion 295
Résumé 349
6Remerciements
Je tiens à exprimer ici ma gratitude à toutes les personnes qui ont contribué à faire de mes années de
thèseuneexpérienced’unegranderichesse.
Je remercie Bénédicte Cuenot d’avoir encadré mon DEA et d’avoir accepté de diriger ma thèse. Je
retiens particulièrement sa disponibilité, la pertinence de ses conseils et nos discussions scientifiques
captivantes. Elle incarne pour moi une image dynamique et fascinante de la recherche et représente un
modèlederéussitequiinciteàpoursuivredanslemétierdechercheur.
Je remercie également Thierry Poinsot pour sa gestion remarquable de l’équipe CFD du CERFACS.
Ildonneauxjeuneschercheurslesmoyens,l’énergieetlecadrenécessairespourproduireunerecherche
dehautniveau.
Mes remerciements vont naturellement à Iskender Gökalp et Luc Vervisch pour avoir accepté
d’être
rapporteursdemathèseainsiqu’àDenisVeynante,CatherineColin,PhilippeVilledieuetMichelCaza-
lenspouravoirexaminémasoutenance.
AuseinduCERFACS,nombreuxsontlesmembresactuelsetanciensquejesouhaiteremercier,tant
pourlescollaborationsprofessionnellesetscientifiques,quepourlesnombreuxmomentsd’amitiépartagés. Avant tout, j’adresse mes remerciements chaleureux à Marie Labadens, secrétaire d’équipe, dont le
dévouement quasi maternel est précieux pour la grande famille des thésards CFD. J’exprime
également
maplusprofondereconnaissanceauxéquipesinformatiquesetadministrativespourleurdisponibilitéet
leurincroyableefficacité.Grâceàeux,informatiqueetadministrationnesontplussynonymesdesolitude
etfrustration!
Jesalueensuitel’ensembledesmembresdel’équipediphasiquepournosnombreuxéchangesetcollaborations, me permettant de passer du statut de novice en diphasique à diphasicien premier grade...
Merci à André Kaufmann (Grand Créateur), Jean-Baptiste Mossa (artisan du polydisperse), Stéphane
Pascaud (collègue de bureau et beaucoup plus), Eléonore Riber (complice de bureau, de codage,
d’anniversaires, ...), Laurent Gicquel (coauteur et compagnon précieux de l’aventure Makila), Nicolas
Lamarque et Jacques Lavédrine (camarades de l’eulérien). Aux diphasiciens actuellement en thèse, Marta
García, Guilhem Lacaze, Marlène Sanjosé, Felix Jaegler et Jean-Matthieu Senoner, j’adresse mes vœux
decourageetderéussitepourleurrecherchedansl’universétonnantdesécoulementsàphasedispersée.
Horsdel’équipediphasique,GabrielStaffelbach(quipourmoiestbienplusque«Pablo»)etYannick
Sommerer sont la preuve que l’on peut faire le bien dans un monde sans goutte. Sans eux, pas de calculREMERCIEMENTS
sur plus de 128 processeurs... Merci à tous les deux. Merci également à Alois Sengissen pour m’avoir
aidédèsmapremièreQPF(Snif!).
J’exprime toute mon amitié à Antoine Dauptain pour m’avoir attiré vers le CERFACS lors de mes
premiers pas dans le monde de la recherche. Avec lui, j’ai partagé de nombreux instants de la vie
de
chercheur,desdiscussionsscientifiquesauxincontournablesréunionsludiquesenpassantpardemémorablesescapadescisalpines.
J’exprime également ma sincère gratitude à Alexandre Beer et Simon Mendez, membres d’un trio
matinal qui, tous les mardi, sacrifiaient leur santé sur l’autel de l’écologie et bravaient la fraîcheur
hivernale pour relier au trot (parfois au galop!) le centre ville à la météopole. Ceux-là mêmes qui, avec
Patrick Schmitt, Guillaume Albouze, Guillaume Boudier, Jérôme Tournier, Sébastien Massart, Nicolas
Daget, Jens-Dominik Müller, Matthieu Leyko et certains noms illustres déjà cités, ont partagé avec moi
les nombreuses sorties running de midi cinq. Les plus téméraires se sont même laissés entraîner dans la
fameuse aventure du Relais des Coteaux, en compagnie de Sébastien Roux (nageur contrarié et grand
ami).Qu’ilssoienttousremerciéspourcesbonsmomentspassésensemble.
Je salue également Valérie Auffray et Laurent Benoît, mes compagnons fidèles (jusqu’au bout!)
d’Elégie soviétique et autres bizarreries cinématographiques, toujours prêts à partager d’intenses
momentsculturelsetgastronomiques.
Je n’oublierai pas non plus les instants savoureux passés en compagnie d’Alexis Giauque, Charles
Martin,KarineTruffin(copined’ornithologie),CélinePrière,YannColin,ainsiquemescherscollègues
de bureau : Stéphane Pascaud (encore lui!), Ludovic Thobois (venu du ch’Nord), Guilhem Lacaze
(allumeur et coureur supersonique), Benoît Enaux (useur de pistons) et Kerstin Wieczorek (experte en
combustion de feuerzangenbowle). Merci à ces derniers d’avoir rendu agréable l’atmosphère de ce petit
espaceoùlesespritscogitentdansleronronnementdesventilateurs.
Enfin,jeremerciemesparentspourleurappuipermanentainsiqueStéphaniepoursonsoutienetson
attentiondanslesmoislesplusdifficiles.
8Listedessymboles
Lettresromaines C constantedumodèleWALEw
m˙ débitmassiquedesgazdanslemoteur d diamètredegoutte
˙Q puissancethermiquedelacombustion D coefficientdediffusionbinairech ij
˙Wducompresseur D diffusivitémoléculairedanslemélangec k
˙W puissancedelaturbinet D diffusivitéthermiqueth
˙Wnettedugénérateurdegaznet E densité spectrale d’énergie turbulente
(chapitre6)C variationparlescollisionsparticulaires
E fonctiond’efficacité(section4.6)T transportparlavitessedécorrélée
E énergietotalemassiqueU terme additionnel dû au mouvement dé-θ
corrélé E énergied’activationa
M réactifouproduitk delaréactionjkj e énergiesensibles
Q tauxd’avancementj F facteurd’épaississement
R constanteuniverselledesgazparfaits f fonctiondensitédeprésencedeparticulesp
T indicedeTakeno g gradientdevitesserésoluij
q˘ énergie cinétique turbulente mésosco-p h termedecorrectiond’enthalpies,corr
pique
h enthalpiesensibleliquides,l
S vitessedeflammeturbulenteT
hsensibledumélanges
A constantepré-exponentielle
K nombred’onde
a tauxd’étirementT
k énergiecinétiqueturbulentegazeuse
c vitesseduson
K constanted’équilibreeq
C capacitécalorifiqueliquidep,l
Kdelaréactiondirectef,jC capacitéàpressionconstantep
K constantedelaréactioninverser,j
C constante du modèle de Smagorinsky fil-SF
tré L enthalpielatented’évaporationv
C constantedumodèledeSmagorinsky l échelleintégraledelaturbulencetS
C capacitécalorifiqueàvolumeconstant M nombrederéactionsvLISTE DES SYMBOLES
N nombred’espèces V volumedelacellulecell
n densitévolumiquedeparticules W massemolairel
eme`P pression w 3 composantedevitesse
P pressionentréecompresseur W variation d’énergie décorrélée due à la2 θ
traînée
P pressionentréechambre3
X fractionmolaire
P pressiondeClausius-Clapeyroncc
Y fractionmassique
P pressionpartielledel’espècekk
z fractiondemélange
q énergie cinétique turbulente des parti-p
cules z fractiondemélangestœchiométriquest
q covariancefluide-particules c vitessedansl’espacedesphasesfp p
q énergiecinétiqueturbulentedécorrélée F tenseurdesfluxRUM
er` eq énergie cinétique turbulente du mouve- f 1 composantedutenseurdesfluxs
mentrelatiffluide-particule
F termedetraînéeeulériend
R coefficientdecorrélation
F forcedetraînéeparticulairep
r constantedugaz eme`g 2 composantedutenseurdesflux
S senseur du modèle d’épaississement dy- eme`h 3dutenseurdesflux
namique(section4.6)
J fluxdiffusifdel’espècekks entropiesensible(chapitre2)
q fluxdechaleur
s rapportstœchiométrique
s vecteurdestermessourcesgazeux
S vitessedeconsommationc
s vecteurdutermesourcechimiquec
S tenseurdesvitessesdedéformationi,j
s vecteur du terme source dû au mouve-θS vitessedeflammelaminaireL mentdécorrélé
T température
s vecteur du terme source du gaz vers le li-g-l
Tentréeturbine quide4
T températured’équilibre(humide) s vecteurdutermesourceduliquideverslewb l-g
gaz
TdeClausius-Clapeyroncc
u vecteurvitesse
T températured’ébullitioneb
u vecteurvitesserelativegaz-particulesTderéférencepourl’enthalpieref
cliquide V vitessedediffusioncorrective
er` e ku 1 composantedevitesse V vitessedediffusiondel’espècek
eme`v 2devitesse w vecteurdesvariablesconservatives
10

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