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Publié par | profil-zyak-2012 |
Publié le | 01 juin 2006 |
Nombre de lectures | 53 |
Poids de l'ouvrage | 5 Mo |
Extrait
Numero´ d’ordre:2352
`THESE
present´ ee´ pourobtenirletitrede
DOCTEURDE
L’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUE
DETOULOUSE
Directeur de these: ThierryPOINSOT`
Ecole doctorale: TYFEP
Specialit´ e´ : DynamiquedesFluides
ParM.Stephane´ PASCAUD
Verslasimulationauxgrandesechelles´
desecoulements´ turbulentsdiphasiquesreactifs´ :
applicationauxfoyersaeronautiques´
These` soutenuele28juin2006devantlejurycompose´ de:
REVEILLONJulien Maˆıtredeconferences´ CORIA Rapporteur
GOKALPIskender DirecteurdeRechercheCNRS LCSR
SIMONINOlivier Professeurdesuniversites´ IMFT Membre
POINSOTThierry DirecteurdeRechercheCNRS IMFT
ESTIVALEZESJean Luc Ingenieur´ derecherche ONERA Membre
CAZALENSMichel ExpertSeniorCombustion SNECMA
BERATClaude ChefduServiceCombustion TURBOMECA Invite´
Ref´ erence´ duCERFACS:TH/CFD/06/44VerslaSGEdesecoulements´ turbulentsdiphasiquesreactifs´ :
applicationauxfoyersaer´ onautiques
Dans le processus de conception d’un foyer aeronautique,´ le re allumage´ en altitude est, bien avant
la consommation ou la pollution, le critere` limitant. Ce phenom´ ene` mettant en jeu la turbulence, les
ecoulements´ diphasiques et la thermochimie, la faisabilite´ d’un outil numerique´ capable de simuler
ce processus fortement instationnaire doit etreˆ demontr´ ee.´ La premiere` partie de cette these` detaille´
le dev´ eloppement d’un code parallele` combinant une approche aux grandes echelles,´ un formalisme
eulerien´ pourlediphasiqueetunmodele` deflammeepaissie´ dynamiquement.Danslasecondepartie,ce
code est applique´ a` un foyer aeronautique´ industriel. En regime´ etabli,´ les mecanismes´ de stabilisation
de la flamme diphasique sont detaill´ es´ en insistant sur l’influence du processus d’ev´ aporation. La simu
lation d’une phase d’allumage est ensuite realis´ ee´ de la naissance de la flamme a` sa stabilisation pres`
de l’injecteur de carburant liquide. Enfin, l’influence d’une perturbation acoustique sur la dynamique de
flammeestdetaill´ ee.´
Keywords: Simulation aux Grandes Echelles (SGE) - Combustion - Turbulence - Diphasique - Tur-
boreacteur´ aeronautique´ -Allumage
TowardsLESofturbulentspraycombustion:
applicationinaeronauticalgasturbines
Themostimportantcriterionduringtheconceptionofanaeronauticalburner,evencomparedtoconsump
tion or pollution, is the altitude re ignition. Because of the phenomena involved as turbulence, spray
dynamics and thermochemistry, the feasibility of a numerical tool able to simulate such an unsteady
sequence must be demonstrated. First, the development of a parallel solver using an LES approach, an
eulerianframeworkandaDynamicallyThickenedFlamemodelisdetailed.Thissolveristhenappliedto
a realistic aeronautical combustor. Stabilisation mechanisms of spray combustion are detailed insisting
ontheevaporationprocesseffects.Thesimulationofanignitionsequenceisthenrealisedfromthebirth
oftheflametoitsstabilisationnearthefuelinjector.Finally,theacousticperturbationinfluenceonspray
flamedynamicsisdetailed.
Keywords: Large Eddy Simulation (LES) - Combustion - Turbulence - Spray - Aeronautical burner
-IgnitionRemerciements
Mercia` ThierryPOINSOTetBen´ edicte´ CUENOTpourm’avoiraccueilliauseindel’equipe´ AVBP,avoir
dirige´ mon travail intelligemment et avoir partage´ leur savoir dans une ambiance conviviale. Un merci
toutparticuliera` Ben´ edicte´ poursonsoutienlorsdelaredaction´ decemanuscrit.
´Je remercie Iskender GOKALP et Julien REVEILLON d’avoir accepte de faire partie de mon jury
de these` en tant que rapporteurs. Je suis tres` honore´ par la presence´ de ces deux specialistes´ de la
modelisation´ delacombustionturbulente.
Je remercie eg´ alement Olivier Simonin, specialiste´ de la modelisation´ des ecoulements´ diphasiques,
d’avoiraccepte´ d’etreˆ membredemonjurydethese.` Jesuiseg´ alementtres` honore´ decompterparmiles
membresdujuryJean LucEstivalezes,sp ecialiste´ delamodelisation´ del’injectionliquide.
Cette these` s’inscrit dans le Projet d’Etudes Amont Etna finance´ par la DGA, Snecma et Turbomeca. Je
tiens a` remercier les industriels a` l’initiative du PEA represent´ es´ dans le jury par Michel CAZALENS
(expertseniorcombustion,Snecma)etClaudeBERAT(chefdugroupecombustion,Turbomeca).
Jeremercielepersonneladministratifetl’equipe´ CSGpourleurgentillesseetleurdisponibilite.´ Jetiens
´ ` ´´egalement a remercier chaleureusement les seniors, doctorants et post doctorants qui ont cr ee une at
mosphere` detravailtres` agreable´ pendantmesquatreannees´ auCERFACS.
Un merci tout particulier a` mes collegues` et amis Matthieu le saint orennais (”on dit chocolatine”) et
Ludovic l’arrageois (”on dit p’tit pain”) pour avoir reussi´ a` supporter la salsa dans le bureau pendant
quatre annees´ ! Je n’oublierai pas nos moments de delire´ (”... Kentucky!”) et nos parties de frisbee
derriere` leCERFACSapres` unpique niqueimprovis e´ a` l’ombreducerisier.
Merci a` mes parents et a` ma soeur pour leur sens pedagogique´ lorsqu’il fallait expliquer a` d’autres
personnescequeStephane´ faisaitdesesjournees´ a` Toulouse...
Enfin,untendremercia` Delphine,laplusjoliesalseradelavillerose,pournosrandoslelongdulittoral
basqueetdanslescoteauxˆ gersois(jen’oubliepas Damau, Methys´ et La¨ıka!).Tabledesmatier` es
´ ´Introductiongenerale 1
I SimulationauxGrandesEchellesdesecoulements´ reactifs´ diphasiques 7
1 Etatdel’art 11
1.1 Besoindesindustriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Outilsnumeriques´ actuellementutilises´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Specificit´ es´ delacombustiondiphasiqueturbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Combustion/Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Ecoulementsdiphasiques/Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3diphasiques/Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Structuredesflammesdiphasiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Bibliographiedesetudes´ SGEencombustiondiphasique . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 SimulationauxGrandesEchellesdesecoulements´ reactifs´ 21
2.1 Introductionsurlecode AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 ConceptdelaSGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Formalismemulti esp eces` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Variablesthermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Equationd’etat´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23`TABLE DES MATIERES
2.3.4 Coefficientsdetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5 Conservationdelamasseetvitessedecorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Equationsdeconservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Termesnonvisqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.2 Termesvisqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.3 Termesdesous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Modelisation´ delaviscosite´ turbulentedesous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Modelisation´ delacombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1 Cinetique´ chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Lemodele` deflammeepaissie´ dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Modelisation´ delaphasedispersee´ 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Approcheslagrangienneseteuleriennes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Descriptionduformalismeeulerien´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Equationsdeconservationdelaphasedispersee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Hypotheses` simplificatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Equationsdeconservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Modelisation´ destermesdedroite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 LetermeΓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
3.4.2 LetermeI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412,i
3.4.3 LetermeΠ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
3.5 Modificationspourlaphaseporteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Aspectsnumeriques´ 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .