THÈSE En vue de l'obtention du

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Dynamique des Fluides Présentée et soutenue par : Marlène SANJOSE Le 14 décembre 2009 Titre : Evaluation de la méthode Euler-Euler pour la simulation aux grandes échelles des chambres à carburant liquide JURY Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Unité de recherche : CERFACS - CFD Team Directrice de thèse : Bénédicte Cuenot Co-directeur de thèse : Olivier Vermorel Référence CERFACS : TH-CFD-09-108 Julien Réveillon Chawki Habchi Gérard Lavergne Thomas Lederlin Thierry Poinsot Renaud Lecourt Yann Doutreleau Bénédicte Cuenot Professeur de l'université de Rouen, CORIA Ingénieur de recherche à l'IFP Professeur à l'ISAE, ONERA-Toulouse Ingénieur à Turbomeca Directeur de recherche à l'IMFT Ingénieur de recherche à l'ONERA-Fauga Directeur scientifique à l'ENSIETA Chercheur sénior au CERFACS Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Invité Invité Directrice de thèse

  • turbines aéronautiques

  • examinateur examinateur

  • air-fuel mixture

  • euler-euler

  • chambre de combustion

  • équations continues de la phase

  • rapporteur rapporteur

  • injection process

  • carburant liquide

  • mécanismes de mélanges turbulents de l'air


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Publié le 01 décembre 2009
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Langue Français
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THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des Fluides
Présentée et soutenue par : Marlène SANJOSE
Le 14 décembre 2009
Titre :
Evaluation de la méthode Euler-Euler pour la simulation
aux grandes échelles des chambres à carburant liquide
JURY
Julien Réveillon Professeur de l’université de Rouen, CORIA Rapporteur
Chawki Habchi Ingénieur de recherche à l’IFP
Gérard Lavergneà l’ISAE, ONERA-Toulouse Examinateur
Thomas Lederlinà Turbomeca
Thierry Poinsot Directeur de recherche à l’IMFT
Renaud Lecourt Ingénieur de à l’ONERA-Fauga Invité
Yann Doutreleau Directeur scientifique à l’ENSIETA
Bénédicte Cuenot Chercheur sénior au CERFACS Directrice de thèse
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS - CFD Team
Directrice de thèse : Bénédicte Cuenot
Co-directeur de thèse : Olivier Vermorel
Référence CERFACS : TH-CFD-09-108Résumé
Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d’émissions polluantes tou-
jours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l’air dans la chambre de combus-
tion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l’environnement. La simula-
tion aux grandes échelles (LES) permet d’étudier les mécanismes de mélanges turbulents
de l’air et du carburant. La prise en compte de l’aspect liquide du carburant injecté devient
nécessaire pour prédire correctement l’apparition de vapeur de carburant au sein du foyer.
Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une
configuration complexe. Les processus d’injection, et d’évaporation du carburant liquide
sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur
de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase
dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration
représentative d’une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux
reproduisent l’écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d’essai Mer ca to. Ce
banc est équipé d’un système d’injection d’air vrillé et d’un atomiseur pressurisé-swirlé de
kérosène typiques des foyers aéronautiques réels.
Dans ces travaux, le modèle pour l’injection de liquide FIM-UR a été développé pour
définir les conditions limites conduisant à un spray issu d’un atomiseur préssurisé-swirlé.
Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations
par un composé permettant d’obtenir des temps d’évaporation réalistes. Trois stratégies
numériques ont été mises en place sur la configuration Mer ca to. Les comparaisons des
résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d’évaluer la stratégie numé-
rique conduisant à la meilleure précision. L’utilisation du schéma centré TTGC associé à
un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque
l’équationsurl’énergie décorréléedes gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrô-
ler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes
sourcesliésaumouvementmésoscopiquepermettentderedistribuerl’énergiedansleszones
de compression ou de détente de la phase dispersée, et d’obtenir les bonnes répartitions
des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux
statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant
la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de
la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L’accès à l’évolution
instationnaire de l’écoulement permet d’identifier les mêmes mécanismes de dispersion
et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètremoyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydisper-
sion locale qui n’est pas résolue dans l’approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît
naturellement dans l’approche Euler-Lagrange malgré l’injection monodisperse.
Mots clés : Simulation aux grandes échelles, écoulement diphasique, approche Euler-
Euler, injection liquide, évaporation, kérosène.Abstract
Aeronautical gas turbines are facing growing demands on emission reductions. Indeed,
the quality of the air-fuel mixture directly triggers the formation of pollutants degrading
the environment. Large Eddy Simulation is an accurate numerical method to predict tur-
bulent mixing in combustors. Adding the liquid phase of the fuel in these simulations also
becomes necessary to properly predict the injection process and the vaporization of the
fuel in the combustion chamber.
ThepurposeofthisdissertationistoevaluatetheaccuracyandreliabilityofEuler-Euler
LESinacomplexcombustorconfiguration. The injectionand vaporizationprocessesof the
fuel liquid phase are both modeled in the present LES as they drive the formation of the
fuel gas phase. Moreover, the numerical methods that solve the continuous equations of
the disperse phase must be accurate and robust in realistic combustor configurations. The
simulations shown in the present study reproduce the non-reactive two-phase flow of the
ONERA Mer ca to test bench. The experimental set-up is equipped with an air-swirler
injection system and a pressure-swirled atomizer typical of actual turboengine combustors.
In the present work the FIM-UR liquid injection model has been developed. It creates
boundary conditions profiles for a liquid spray produced by a pressure-swirled atomizer.
Kerosene used in the experiments is modeled in the present numerical simulations by a
single species leading to a good estimate of the vaporization rate. Three numerical strate-
gies have been tested on the Mer ca to configuration. Comparisons between experimental
and LES results help defining the most accurate numerical strategy. The use of the cente-
red numerical scheme TTGC stabilized by a localized artificial viscosity operator is best
when the random uncorrelated energy of droplets is also resolved. Unlike an upwind nume-
rical scheme, the selected strategy allows the user to control where and how much artificial
viscosity is added. The source terms coming from the mesoscopic movement redistribute
the energy in the compression or expanding zones of the disperse phase, and provide the
proper distribution of fluctuations in the combustion chamber. The obtained strategy is
compared with the statistics provided by a Lagrangian description of the liquid spray in
the same mono-disperse injection. The Euler-Euler approach leads to the same accura-
cy in the same spray dynamics of the disperse phase as in the Euler-Lagrange method.
Both unsteady flow simulations also provide the same dispersion and mixing processes
in the Mer ca to set-up. Differences on the mean diameter and the fuel distribution in
the combustion chamber are seen and related to the local poly-dispersion that cannot
be resolved in the mono-disperse Euler-Euler approach and that naturally appear in theEuler-Lagrange method despite the mono-disperse injection.
Key w ords : Large eddy simulation, two-phase flow, Euler-Euler approach, liquid in-
jection, vaporization, kerosene.Remerciemen ts
Je souhaite tout d’abord remercier la DGA qui m’a accordé une bourse de financement,
et M. Yann Doutreleau pour l’intérêt qu’il a porté à mes travaux par sa présence lors de
ma soutenance.
Je souhaite remercier les membres du jury qui ont accepté d’évaluer mon travail de
thèse et de se déplacer à Toulouse (par une rare journée de neige !). Je remercie en
particulier, Chawki Habchi pour l’application qu’il a porté dans son travail d’évaluation
du manuscrit, Renaud Lecourt pour les nombreuses interactions que nous avons eues au
cours de ces 3 années de travail sur la configuration Mer ca to et Thomas Lederlin pour
notre collaboration au CTR à Stanford à l’occasion du Summer Program 2008.
Je tiens à remercier Thierry Poinsot pour l’opportunité qu’il m’a offerte de travailler
au sein de l’équipe CFD du CERFACS. Il s’agit d’un environnement de travail assez
exceptionnel où les nombreux thésards et chercheurs collaborent et interagissent, dans une
ambiance formidable et un dynamisme rare qui doivent beaucoup à la personnalité de
Thierry.
Je remercie chaleureusement Bénédicte Cuenot, directrice de thèse, qui m’a épaulée
et soutenue dans les difficiles moments de doutes. Elle a su recadrer mon travail et me
redonner de la motivation pour la “dernière ligne droite”. Je la remercie pour les longues
discussions à élaborer les scénario qui permettent de comprendre les résultats observés. Je
la remercie également pour son implication dans l’élaboration de ce manuscrit et son aide
précieuse lors de la préparation de ma soutenance de thèse.
L’équipe CFD du CERFACS regroupe une cinquantaine de chercheurs et thésards avec
qui j’ai eu beaucoup de plaisir à travailler, et à discuter de physique (Matthieu B. et
L., Félix, Jean-Matthieu), de trucs et astuces informatiques (Marta, Gab’, Anthony), de
complots de manipulation de mondiale (Olivier C., Jorge), d’histoire et de faits d’armes
célèbres (Laurent B.) ou encore des faits divers de la région toulousaine (Kerstin). Bien
sûr il y a eu des moments difficiles où j’ai un peu perdu les pédales face à mon terminal
qui n’en faisait qu’à sa tête, aussi je tiens à m’excuser auprès de mon clavier qui a souvent
servi de défouloir pour mes nerfs, quand d’autres sont plus causants pour chasser leur nerfs
(sacré Hugues !). Merci à Laurent B., Jean-Matthieu et Félix, mes collègues de bureau,
qui ont su répondre à mes nombreuses questions et supporter mes sautes d’humeur !!Remerciements
Je souhaite remercier Lionel Martinez et Aymeric Vié de l’IFP qui ont développé, codé
et intégré les stratégies numériques qui ont permis de faire avancer d’une part mes travaux
mais également les thésards qui travaillent sur la méthode Euler -Euler. Merci à Aymeric
pour ses idées originales, ses commentaires toujours pertinents. Bravo à son efficacité
redoutable pour coder !!
J’ai une pensée toute particulière pour la fine équipe de Stanford qui dépasse les li-
mites du CERFACS et avec qui j’ai pu travailler dans une ambiance excellente : Mat-
thieu, Florent, Laurent G. (Eléonore et Anthony à distance), Bénédicte, Thierry, Thomas,
Vincent, Laurent S. (s’il te plait Lolo ne fait plus les choses à moitié !), Guillaume R.,
Franck, Stéphane (merci pour les visites guidées), Julien, Julian...
Au CERFACS, pour limiter la casse des claviers, il y a l’équipe CSG : ce sont des
magiciens, des envoûteurs de machines... Merci donc à Fabrice, Gérard, Patrick, Isabelle
et Nicolas, pour leur aide, leur bonne humeur et leur calme !! Je remercie également,
Gabriel et Olivier V. pour le maintien du code A vbp, le développement d’outils bien
sympathiques, leur travail de debugging, et le portage sur les derniers super-calculateurs.
Je remercie également Chantal et Michèle pour leurs rires qui résonnent dans tout le
CERFACS à l’heure du café, Séverine pour sa gestion efficace de la Doc’, Nicole et Marie
pour l’ensemble des tâches qu’elles exécutent pour le bon fonctionnement de l’équipe CFD.
J’ai apprécié partager quelques repas à la K’fêt avec elles, et également Sophie R., Marta,
Roberto, Eric (non non tu ne m’auras pas avec ton Agar Agar), Azzam et bien d’autres
...
A côté du boulot, j’ai eu le rugby qui m’a permis d’évacuer ! Je remercie les gens
formidables qui font vivre le TCMS, et les complices du terrain devenus de très chers amis
: Olivia, Servane, Sandra, Arnaud, Didier, Audrey, Aude, ... Merci à cette grande famille
Toulousaine !
Je souhaite remercier mes parents qui m’ont soutenue jusqu’au bout. Merci, entre
autres, à maman pour les petits plats et les ourlets de mes pantalons, et à papa pour
la coppa corse et le rosé !
Pour terminer je souhaite exprimer ma profonde gratitude à Stéphane, compagnon
pendantplusd’unan,augrédemespicsettrousdemoral.Mercipourtesencouragements,
merci de voir en moi des capacités que j’ignore. Ton aide (coaching, relecture, dérivations,
conseils, ...) a été infiniment précieuse et sans elle je n’y serai pas arrivée ! “T’es-tu prêt
à être mon chum ?”
8T able des matières
Résumé 3
Abstract 5
Remerciemen ts 7
1 In tro duction Générale 13
1.1 Contexte de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Simulation numérique des écoulements diphasiques . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Validation et vérification des codes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Objectifs de cette thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Présen tation des équations et mo dèles p our les écoulemen ts turbu-
len ts diphasiques 29
2 Équations de conserv ation p our les écoulemen ts gazeux compressibles 33
2.1 Équations et variables conservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Thermodynamique du gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Modèle de transport et de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37TABLE DES MATIÈRES
2.4 Équations LES pour la phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Équations de conserv ation p our la phase disp ersée 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Fermeture des équations pour l’approche Eulérienne . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Équations LES pour la phase dispersée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Appro c he n umérique p our la métho de Euler-Euler 71
In tro duction 73
4 Appro c he n umérique dans A vbp 75
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Parallélisme et méthodes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 T raitemen ts n umériques p our les équations de la phase liquide 81
5.1 Stratégies numériques pour les écoulements diphasiques dans les configura-
tions complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Schémas numériques centrés et utilisation de viscosité artificielle pour la
phase liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 Capture de fronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Mo délisation de la ph ysique des écoulemen ts diphasiques : év ap ora-
tion et injection 107
In tro duction 109
6 Év aluation du mo dèle d’év ap oration d’ A vbp et application au k érosène 111
10