Modélisation du rayonnement dans la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente, Radiation modelling in large eddy simulation of turbulent combustion

Damien Poitou

Description

Sous la direction de Mouna El Hafi, Bénédicte Cuenot
Thèse soutenue le 08 décembre 2009: INPT
La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente.
-Combustion turbulente
-Simulations aux Grandes Échelles
-Transfert radiatif
-Modèles spectraux globaux
-Ordonnées discrètes
-Couplage
-Interaction Rayonnement-Turbulence
Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame
-Turbulent combustion
-Large Eddy Simulation
-Radiative transfer
-Global spectral models
-Discrete ordinate
-Coupling
-Turbulence-Radiation Interaction
Source: http://www.theses.fr/2009INPT035G/document

Sujets

• Transfert de rayonnement
• Couplage
• Six Sexy

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

THESETHESE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSEDOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Énergétique et transferts
Présentée et soutenue par Damien POITOU
Le 8 décembre 2009
Titre : Modélisation du rayonnement dans la simulation aux grandes échelles de la
combustion turbulente
JURY
FLAMANT Gilles – PROMES (Président)
VAILLON Rodolphe – CETHIL (Rapporteur)
VEYNANTE Denis – EM2C (Rapporteur)
FOURNIER Richard – LAPLACE (Examinateur)
COELHO Pedro – IST (Invité)
CUENOT Bénédicte – CERFACS (Directrice)
EL HAFI Mouna – RAPSODEE (Directrice)
Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil Et Procédés
Unité de recherche : Centre de Recherche d'Albi en génie des Procédés des
Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement, École des Mines d'Albi
Directeur(s) de Thèse : CUENOT Bénédicte, EL HAFI Mouna
Rapporteurs : VAILLON Rodolphe, VEYNANTE DenisThèse
défendue
en vu d’obtenir le grade de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse
spécialité « Énergétique et Transferts »
par
Damien Poitou
Modélisation du rayonnement dans la
simulation aux grandes échelles de la
combustion turbulente
Thèse soutenue le 8 décembre 2009 devant le jury composé de :
M. Gilles Flamant PROMES (Président)
M. Rodolphe Vaillon CETHIL (Rapporteur)
M. Denis Veynante EM2C
M. Richard Fournier LAPLACE (Examinateur)
M. Pedro Coelho IST (Invité)
meM. Bénédicte Cuenot CERFACS (Directrice)
meM. Mouna El Hafi RAPSODEE
Laboratoire d’accueil : Centre de Recherche d’Albi en génie des Procédés des Solides Divisés,
de l’Energie et de l’Environnement (RAPSODEE) – École des Mines d’AlbiRemerciements
Alors que ce travail se termine il est temps de remercier les personnes qui m’ont
accompagné durant cette période de thèse.
J’adresse mes remerciements à Monsieur Alain De Ryck pour m’avoir accueilli
au sein du Centre de Recherche d’Albi en génie des Procédés des Solides Divisés,
de l’Energie et de l’Environnement. Je remercie aussi Monsieur Thierry Poinsot de
m’avoir permis de travailler au sein de l’équipe CFD au CERFACS.
Je remercie également Messieurs Rodolphe Vaillon et Denis Veynante d’avoir été
rapporteurs de ce travail et d’avoir apporté leur point de vue de spécialistes, res-
pectivement en rayonnement et en combustion, dans une lecture approfondie de ce
manuscrit. J’exprime également ma gratitude à Monsieur Gilles Flamant d’avoir pré-
sider ma soutenance ainsi qu’a Monsieur Pedro Coelho d’être venu de Lisbonne et de
son intérêt porté à ce travail.
Je tiens à remercier spécialement mes directrices de thèse, Mesdames Bénédicte
Cuenot et Mouna El Hafi, pour avoir proposé un sujet si riche et qui m’a captivé durant
ces trois années. Je remercie Bénédicte pour sa capacité à décider des caps à suivre
en ayant toujours une vison globale du sujet et sa relecture approfondie. Je remercie
également Mouna pour son encadrement très humain avec beaucoup d’écoute et de
discussions qui m’a appris a clarifier les idées et essayer de rendre les explications plus
pédagogiques. . . Je les remercie de la confiance mutuelle qui s’est développée au fur et
a mesure et qui a contribué à la réussite de ce travail. Je remercie également Monsieur
Richard Fournier qui m’a souvent conduit à me poser les bonnes questions au début
de ce travail et de me lancer à faire une thèse.
Un remerciement tout particulier à Paul Gaborit qui m’a pas mal aidé à démarrer
en fortran, latex, . . . Un grand merci à Jorge Amaya avec qui nous avons passé des
heures au téléphone et, sans qui il aurait été difficile de faire fonctionner le couplage
à temps !
Merci à mes collègues de bureau : Julien (nouveau converti à France Inter ?), Ger-
main (pas du tout converti !) , Dalila et Areski. Un grand remerciement à l’équipe des
gens du rayonnement. Les « anciens » que j’ai eu l’occasion de croiser : David, Patrice,
Max (Tshirt TRI ! !), Cyril. Un merci aux autres et aux bons moments passés à Roffiac :
Jéremi DLT., Jeremi D., Vincent, Nicolas, Stéphane, Jacques, . . .
Enfin merci à l’équipe des albigeois qui a rendu cette période riche en bons mo-
ments (parfois pluvieux dirons les râleurs !) dans cette ville qui nous fut très agréable :
Laurent, Ana, Clémence & Jeremie (les anciens voisins de la rue Porta) , Brice (l’homme
cacao) & Christelle et Étienne.
Merci à mes parents, mon Père, ma Mère et Michelle ainsi qu’à Élie d’avoir toujours
été là pour m’encourager et me soutenir.viii
Un grand merci à celle qui a eu la patience de partager son quotidien avec la thèse.
Alors que la thèse se finit un 8 décembre, c’est exactement 2 ans après le début de
cette belle histoire, et qui je l’espère, durera encore longtemps . . . Merci à toi Christelle
d’avoir été là avec ta patience, ta tendresse, ton écoute et toutes les choses que je ne
sais pas dire mais qui font que je t’aime.
« On ne force pas les choses
Elles partent comme elles éclosent
Les sépales de tes roses
Ont flambé
On se souvient d’une nuit d’un refrain
Un soupçon de silence incertain
On s’abîme où l’on se pose
Les papillons osent
Mais la mer a repris
Les fossiles de nos folies
Que fais-tu là ?
Mais je sais pas
J’passais par là
Au coin du bois
Y avait ma vie
Qui m’attendait
Depuis trois siècles
Et me voilà
Mais v’là-t-y pas
Qui j’vois là-bas
Une autre vie
Qui m’tend les bras
On ne force pas les choses
Elles partent comme elles éclosent
Le calice de tes roses
A flambé
On n’se dit rien ça vit comme ça vient
Ca vient ça va ça vit de bouts de rien
Ca s’immisce
Les papillons osent
Mais la mer a repris
Les fossiles de nos folies
Que fais-tu là ?
Mais je sais pas
J’allais par là
Au coin du bois
Vivre la vie
Qui m’attendra
Dans deux trois sièclesix
Je serai là
Elle m’attendra
Au coin du bois
Cette autre vie
Qui m’tend les bras
Et puis l’on force la chose
Dans de vagues proses
Une effluve de rouge rose
A flambé
Au coin du bois j’ai trouvé ce matin
Une autre vie qui me tendait les mains
Comme on n’était pas grand-chose
Les papillons se posent
Et la mer a repris
Les fossiles de nos folies
Je t’attendrai
Au coin du bois
Et puis toujours
Tu seras là »
Têtes raides, Les chosesTable des matières
Table des matières x
Introduction 3
I Du rayonnement en combustion turbulente 7
1 Modélisation de la 13
1.1 Équations de l’aérothermochimie..................... 15
1.1.1 Grandeurs de la Thermochimie 15
1.1.2 Cinétique chimique............................ 16
1.1.3 Équations de conservation ........................ 17
1.2 Modélisation de la turbulence ...................... 19
1.2.1 Les différentes approches 20
1.2.2 La Simulation aux Grandes Échelles................... 22
1.2.3 Équations de conservation filtrées .................... 22
1.3 Modélisation de la combustion turbulente en LES .......... 24
1.3.1 Le modèle de flamme épaissie dynamique en LES ........... 26
1.3.2 Modèle Final ............................... 29
1.4 Aspects numériques.............................. 30
1.4.1 Le code AVBP 30
1.4.2 Conditions aux limites .......................... 31
2 Modélisation du rayonnement 33
2.1 Formulation du problème radiatif .................... 33
2.1.1 Concepts essentiels et grandeurs caractéristiques ............ 33
2.1.2 Établissement de l’équation de transport ................ 36
2.1.3 Absorption et émission 37
2.1.4 Diffusion ................................. 39
2.1.5 Formulation différentielle ........................ 40
2.1.6 For intégrale .......................... 41
2.2 Propriétés spectrales ............................ 44
2.2.1 Introduction ............................... 44
2.2.2 Les différents modèles spectraux .................... 46
2.2.3 Le modèle statistique à bandes étroites formulé en k-correlés (SNBcK) 48
2.2.4 Propriétés spectrales des particules de suie ............... 52
2.3 Méthodes de résolution ........................... 53
2.3.1 Approche intégrale 53
2.3.2 Approche différentielle.......................... 54