THESE En vue de l'obtention du

Bertier Onera

Description

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 : Dynamique des Fluides JURY M. Massot EM2C, Professeur Rapporteur D. Veynante EM2C, Directeur de Recherche Rapporteur E. Dufour MBDA, Docteur/ingénieur Examinateur G. Lavergne ONERA, Professeur Examinateur G. Searby IRPHE, Directeur de Recherche Examinateur N. Bertier ONERA, Ingénieur de Recherche Examinateur S. Wey DGA, Correspondant Membre invité T. Poinsot IMFT, Directeur de Recherche Co-directeur de thèse L. Gicquel CERFACS, Chercheur senior Directeur de thèse Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Unité de recherche : CERFACS Directeur de Thèse : Laurent GICQUEL Co-Directeur de Thèse : Thierry POINSOT Réf. CERFACS : TH-CFD-09-65 Présentée et soutenue par Anthony ROUX Le 2 Juillet 2009 Simulation aux Grandes Echelles d'un statoréacteur

• combustion instabilities


• chambre de combustion


• test stages


• preliminaires de tests en geometrie reelle


• simulation des ecoulements


• raison du regime de combustion


• propulsion par statoreacteur


• discretisation de la convection pour la simulation eulerienne de la phase dispersee

Sujets

• Institut national polytechnique de Toulouse
• Simulation
• Gicquel
• Université de Toulouse
• Massot

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 juillet 2009
• Nombre de lectures: 102
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

T H E S E
E n v u e d e l ' o b t e n t i o n d u
DD OO CC TT OO RR AA TT DD EE LL ’’ UU NN II VV EE RR SS II TT ÉÉ DD EE TT OO UU LL OO UU SS EE
D é l i v r é p a r I n s t i t u t N a t i o n a l P o l y t e c h n i q u e d e T O UL O US E
D i s c i p l i n e o u s p é c i a l i t é : D y n a m i q u e d e s F l u i d e s
Pr é s e n t é e e t s o u t e n u e p a r A n t h o n y R O U X
L e 2 J u i l l e t 2 00 9
S i m u l a t i o n a u x G r a n d e s E c h e l l e s
d ' u n s t a t o r é a c t e u r
J UR Y
M . M a s s o t E M 2 C , P r o f e s s e u r R a p p o r t e u r
D . V e y n a n t e E M 2 C , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e R a p p o r t e u r
E . D u f o u r M B D A , D o c t e u r / i n g é n i e u r E x a m i n a t e u r
G . L a v e r g n e O N E R A , P r o f e s s e u r E x a m i n a t e u r
G . S e a r b y I R P H E , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e E x a m i n a t e u r
N . B e r t i e r O N E R A , I n g é n i e u r d e R e c h e r c h e E x a m i n a t e u r
S . W e y D G A , C o r r e s p o n d a n t M e m b r e i n v i t é
T . P o i n s o t I M F T , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e C o - d i r e c t e u r d e t h è s e
L . G i c q u e l C E R F A C S , C h e r c h e u r s e n i o r D i r e c t e u r d e t h è s e
Ec o l e d o c t o r a l e : M é c a n i q u e , E n e r g é t i q u e , G é n i e c i v i l , P r o c é d é s
U n i t é d e r e c h e r c h e : C E R F AC S
D i r e c t e u r d e T h è s e : L a u r e n t G I C Q UE L
C o - D i r e c t e u r d e T h è s e : T h i e r r y P O I N S O T
R é f . C E R F A C S : T H - C F D - 0 9 - 6 52Resum´ e´
La conception d’un statoreacteur´ benificie´ aujourd’hui des progres` divers des outils numeriques´
permettant par la memeˆ occasion d’alleger´ les differentes´ etapes´ preliminaires´ de tests en geom´ etrie´
reelle´ necessaires´ au dev´ eloppement de telle configuration. L’objectif de cette these` est de dev´ elopper
une methodologie´ s’appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) afin de contribuer a` la
validation de ce nouvel outil numerique´ pour la simulation de statoreacteur´ et ainsi deuer a` la
comprehension´ des phenom´ enes` mis en jeu dans ces chambres de combustion. L’outil numerique´ est
tout d’abord adapte´ pour la simulation des ecoulements´ reactifs´ fortement turbulents avec un accent
mis sur la gestion des chocs avec des schemas´ centres´ et la discretisation´ de la convection pour la
simulation Eulerienne´ de la phase dispersee.´ La configuration cible est le “Statoreacteur´ de Recherche”
etudi´ e´ experimentalement´ par l’ONERA. Sa simulation est realis´ ee´ de maniere` graduelle. Tout d’abord,
´ ´ ´il est montre que la simulation de la totalite de la configuration, y compris les diffuseurs d’entree
ou` se positionne un reseau´ de choc, est essentielle afin de considerer´ une geom´ etrie´ acoustiquement
close pour reproduire correctement les modes d’oscillation du statoreacteur´ . La pertinence du schema´
cinetique´ est aussi etudi´ ee´ et il est montre´ l’importance de bien reproduire l’ev´ olution de la vitesse de
flammeadiabatiquepouruneplagederichessegrande,enraisonduregime´ decombustionpartiellement
prem´ elang´ e.´ Finalement, trois cas a` differente´ sont simules´ et un excellent accord est trouve´
avec l’experience.´ La phenom´ enologie´ et les mecanismes´ pilotant la combustion sont alors etudi´ es´ pour
cestroiscas.
Mots cl es´ : Simulations aux Grandes Echelles, Statoreacteur´ , Turbulence, Instabilities´ de combustion,
EcoulementDiphasique.
Abstract
Design of ramjets benefits today from the progress of numerical tools which relieve the various
teststagesofrealenginesthatremainnecessaryforthedevelopmentofsuchakindofconfiguration.The
objective of this dissertation is to develop a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) to
contribute to the validation of this new type of advanced numerical tool for the simulation of ramjets
and improve the understanding of combustion in these devices. The numerical tool is first adapted for
the simulation of highly turbulent reacting flows with emphases on the management of shocks with
centeredschemesandthediscretizationofconvectionfortheEuleriansimulationofthedispersedphase.
The target configuration is the “Research ramjet” experimentally studied by ONERA. Simulation is
carriedoutgradually.First,itisshownthatthesimulationoftheentireconfiguration,includingdiffusers
at the inlets where shocks appear is essential to consider an acoustically close geometry to properly
reproduce the oscillation modes of combustion. The relevance of the kinetic scheme is also studied. It
is shown that reproducing the evolution of the adiabatic flame speed for a wide range of equivalence
ratio is critical because of the partially premixed combustion regime involved in this configuration.
Finally,threedifferentcasesaresimulatedandexcellentagreementisfoundwithexperimentaldata.The
phenomenologyandthedifferentmechanismsgoverningcombustionarestudiedforthesethreecases.
Keywords :Large EddySimulation,Ramjet,Turbulence,Combustioninstabilities,Two PhaseFlows.Tabledesmatier` es
Remerciements 9
Introduction 11
1 IntroductionGen´ erale´ 13
1.1 Lapropulsionparstatoreacteur´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Etatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Motivationsetobjectifsdel’etude´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Organisationdumanuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I Modeles` physiquesetnumeriques´ pourlasimulationauxgrandesechelles´ 29
´2 Equationsdeconservationpourlesecoulements´ gazeuxreactifs´ 35
´2.1 Equationsetvariablesconservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Variablesthermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
´2.3 Equationd’etat´ desgazparfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Diffusionmoleculaire´ multi esp eces` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Diffusiondelachaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Coefficientsdetransportdiffusif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Cinetique´ chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
´ ´3 Equationsdeconservationpourlaphasedispersee 41
3.1 ApprocheLagrangienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 ApprocheEulerienne´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42`TABLE DES MATIERES
3.3 Equationsdeconservationeuleriennes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Modeles` defermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
´4 EquationspourlaSGEdiphasiquereacti´ ve 61
´4.1 EquationsLESpourlaphasegazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Modeles` desous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
´ ´4.3 EquationsLESpourlaphasedispersee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Modeles` desous maillepourlaphasedispers ee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5 Modele` decombustionturbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Approchenumerique´ 79
5.1 Lecode AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Discretisation´ cell vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Schemas´ numeriques´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Modeles` deviscosite´ artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6 Methodes´ pourlacapturedechocs 87
6.1 Problematique´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 LesMethodes´ decapturedechoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Comparaisondesmethodes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7 Outilsdepost traitementetd’aide a` lacomprehension´ 95
7.1 Lescartesspectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 LesolveurdeHelmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3 LaDecomposition´ enModesPropres(POD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Exempled’applicationdestroisdiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
II SimulationauxGrandesEchellesd’unstatoreacteur´ 107
8 Presentation´ delaconfiguration 113
8.1 Leprogramme“Statoreacteur´ deRecherche” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6`TABLE DES MATIERES
8.2 Configuration . . . . . . . . . . .