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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Numero d'ordre : 2483 TH ESE presentee pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : TyFEP Specialite : Dynamique des Fluides Par M. Mauro Porta Developpement, verification et validation des outils LES pour l'etude du bruit de combustion et de l'interaction combustion / acoustique / turbulence Soutenue le 6 Juin 2007 devant le jury compose de Boniface Nkonga Rapporteur Julien Reveillon Rapporteur Jim Kok Examinateur Sebastien Ducruix Examinateur Franck Nicoud Examinateur Thierry Poinsot Directeur de these Reference CERFACS: TH/CFD/07/46

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Publié le 01 juin 2007
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Numéro d'ordre : 2483
THÈSE présentée pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUS Ecole doctoÉrale : TyFEP Spécialité : Dynamique des Fluides
Par M. Mauro Porta
Développement, vérification et validation des outils LES pour l' étude du bruit de combustion et de l'interaction combustion / acoustique / turbulence
Soutenue le 6 Juin 2007 devant le jury composé de
Boniface Nkonga Julien Reveillon Jim Kok Sebastien Ducruix Franck Nicoud Thierry Poinsot
Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de thèse
Référence CERFACS: TH/CFD/07/46
We've got the power We are divine We have the guts to follow the sign Extracting tension from sources unknown We are the ones to cover the throne.
Weikath, 1996.
Abstract
In the last years, constraints on pollutants emissions for gas turbines have become more and more severe. In order to fulfill these requirements, gas turbines manufacturers developed combustion systems operating at very lean regimes. Unfortunately, burners working under these conditions can exhibit strong thermo-acoustical instabilities leading to serious damages or even to the complete destruction of the combustion system.
Large Eddy Simulation (LES) is nowadays considered as the most promising CFD tool for the study of combustion instabilities. Its intrinsic unsteadiness and the capability of directly solving the motion of the largest vortices and acoustic waves propagation, enable LES to ana-lyze the strong interactions between turbulence, chemical species mixing, acoustics and chem-ical reactions, which are the primary sources of combustion instabilities.
However, the exact precision and the limitations of LES remain to be determined in particular for the prediction of combustion noise and self-excited combustion instabilities.
Therefore, in this work the ability of the LES code AVBP of CERFACS to accurately com-pute simple configurations involving only one phisical phenomenon (turbulence, acoustics or combustion) is firstly verified. Reactive and non-reactive academical test cases, for which the analytical solutions are known, are presented putting special emphasis on the influence of the numerical discretization and on its interaction with boundary conditions. Then, having gained confidence in the LES tool, the results obtained from a self-excited computation of a lab-scale burner are shown.
Keywords
Large Eddy Simulation, combustion instabilities, boundary numerical schemes, acoustics, combustion noise, fluid-structure interaction.
Résumé
Durant ces dernières années, les contraintes sur les émissions de polluants pour les turbines à gaz sont devenues de plus en plus stricts. Afin de respecter ces conditions, les construc-teurs ont développé des systèmes de combustion fonctionnant en régimes très pauvres. Mal-heureusement, les brûleurs fonctionnant dans ces conditions peuvent montrer de fortes insta-bilités thermo-acoustiques menant à des dommages sérieux ou même à la destruction complète du système.
La Simulation aux Grandes Echelles (LES en anglais) est considérée de nos jours comme l'outil de calcul num érique le plus prometteur pour l' étude des instabilités de combustion. Son intrinsèque instationnaritée et sa capacité à résoudre directement les plus grands tourbillons et la propagation d'ondes acoustiques, permettent à la LES d'analyser les fortes interactions entre la turbulence, le mélange des espèces chimiques, les réactions chimiques et l'acoustique, qui sont les sources primaires des instabilités de combustion.
Cependant, les limitations et la précision exacte de la LES restent à déterminer, en particulier pour la prévision du bruit de combustion et des instabilités de combustion autoentretenues.
Dans ce travail, on vérifie d'abord la capacit é d'AVBP, le code LES du CERFACS, à cal-culer exactement des configurations simples impliquant seulement un phénomène physique (turbulence, acoustique ou combustion). Des cas test académiques réactifs et non-réactifs, pour lesquels les solutions analytiques sont connues, sont présentés, en mettant particulièrement en évidence l'influence de la discr étisation numérique et son interaction avec les conditions-limites. Puis, ayant démontré la validité et le bon fonctionnement de l'outil LES, les r ésultats d'un calcul d'instabilit és autoentretenues d'un br ûleur de laboratoire sont exposés.
Mots clés
Simulation aux Grandes Echelles, instabilités de combustion, schéma numerique aux bords, acoustique, bruit de combustion, interaction fluide-structure.
Aknowledgements/Remerciements/Ringraziamenti
Après avoir apprécié, pendant les trois années passées dans le Pentagone, toute la beauté etlesparticularitésdelalanguefran¸caiseand,afterspendingalotoftimeinpreparingpre-sentations, reports and thesis manuscripts in english, je me suis aperc¸u, en reconnaissant mal-heureusementdenepasmâıtriserparfaitementnil'anglaisnilefran¸cais,queseulementen utilisant la langue du ”Bel Canto” j'aurais pu exprimer au mieux tous mes remerciements.
Vorrei pertanto ringraziare Boniface Nkonga, Julien Reveillon, Jim Kok e Sebastien Ducruix per l'attenzione che hanno posto nella valutazione del mio lavoro.
Un ringraziamento particolare va a Franck Nicoud per la pazienza con la quale ha sopportato tutti i miei deliri riguardo a USOT e CSOT.
Un ringraziamento molto particolare va a Thierry Poinsot: in primis per avermi dato la pos-sibilità di fare questa esperienza (onestamente, la mia vita sarebbe molto diversa se non fossi arrivato al CERFACS). In secundis per avermi insegnato che ottenere buoni risultati è una con-dizione solo necessaria (quasi mai sufficiente) perchè il tuo lavoro sia compreso e apprezzato. In tertiis perchè tirare in ballo il ”pomme-B” il giorno della soutenance c'est quand m ême pas mal!
Vorrei Michelle
poi ringraziare Thilo Schoenfeld e Marie Labadens per la Campassens, tutta l'amministrazione e il team CSG... siete
Grazie di cuore a Alois Sengissen, Nicolas ”The Leyko, Roberto ”Black Knight” Paoli, Daniele Panara cipazione a questo lavoro di tesi.
longer, e Pavel
loro gentilezza e simpatia; troppo i migliori!!
the better” Lamarque, Matthieu Ryzhakov per la loro attiva parte-
Tengo inoltre a ringraziare Werner Krebs, Peter Kauffmann, Paul Pixner, Jaap Van Kam-pen, Berthold Noll, Robert Dannecker, Artur Pozarlik, Richard Cooper, Zinedine Khatir, Alex Anganu, Jens Muller, Andre ”Womble” Mommertz e soprattutto Marie Curie che ci ha fatto incontrare, discutere e collaborare.
Grazie anche ai carissimi ”AVBP boys and girls” (in ordine sparso e senza accenti): Pablo Staffelbach, Antoine Devesa, Ludo Thobois, Ele Riber, Antoine Dauptain, Marta Garcia, Claude Sensiau, Alexis Giauque, Florent Duchaine, Amazing Dindon, Simon Mendez, Patrick Schmitt, Laurent Benoit, Yannick Sommerer, Olivier Vermorel... quelli che ho dimenticato si riconoscer-anno ;-)
Infine vorrei ringraziare la mia famiglia per tutto quello che ha fatto per me fino ad oggi, finalmente avete un figlio dottore!!! E ovviamente la mia mogliettina, il generale Vendrasco, che non so come faccia a sopportarmi, ma per fortuna lo fa e speriamo ci riesca ancora per molto tempo!
33
34
33
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Contents
2.3.3
2.3.1
2.3.4
2.3.2
Introduction
1
Multi-species reactive Navier-Stokes equations
Thermodynamical variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Scenario 4: Stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
21
Phenomenological description of combustion instabilities . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
24
27
25
Scenario 3: Coupled acoustics - Radiated external noise . . . . . . . .
29
Scenario 1: Decoupled acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Scenario 2: Coupled acoustics - Internal noise (fluid-structure interaction) 27
The role of LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aim of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1
LES of reacting compressible flows
3
3.1
9
2.4.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
2.2.1
Outline
1.2
Combustion instabilities
2.2.2
2
2.1
2.2
15
18
Computational methods
Available tools for the study of combustion instabilities . . . . . . . . . . . . .
25
23
19
LES applications for combustion instabilities . . . . . . . . . . . . . .
30
Experiments
2.4
2.3
Scenarios for acoustic-combustion interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
60
52
4.2.3
4.2.1
4.2.2
3.5.1
3.5.2
4.1
Implementation of the Dynamically Thickened Flame (DTF) model . .
The TTGC numerical scheme
Description of numerical methods available in AVBP
Radiation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The LES approach
Kinetics
Viscous stress tensor . . . . . . . . . . . . . . .
37
39
CONTENTS
. . . . . . . . . . . .
Transport coefficients
3.4.3
3.4.1
3.4
3.4.2
3.5
Heat flux vector
45
Sub-grid models available in AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
3.2.1
3.3.1
3.1.6
3.2
3.1.8
3.1.7
35
36
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The combustion subgrid scale model:E. . . . . . . . . . . . . . . . .
Final equations solved for the DTF model . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical methods for LES
55
55
52
The filtered viscous terms in non reactive flows . . . . . . . . . . . . .
41
Combustion modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
42
Governing equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
40
50
46
The Dynamically Thickened Flame (DTF) model for LES . . . . . . . . . . . .
50
Final equations solved for the TF model . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.5
3.1.4
10
3.1.2
3.1.3
48
Implementation of the standard Thickened Flame (TF) model . . . . .
46
The cell-vertex approach . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Lax-Wendroff scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Turbulence modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
. . . . . . . . . . . . . . .
61
67
The equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Conservation of Mass: Species diffusion flux . . . . . . . . . . . . . .