pour obtenir le titre de

Celine Priere

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : Edyf Specialite : Dynamique des Fluides par Celine Priere Sous la direction de Thierry Poinsot Titre de la these SIMULATIONS AUX GRANDES ECHELLES : APPLICATION AU JET TRANSVERSE Soutenue le 4 Janvier 2005 devant le jury compose de : M. P. Sagaut Rapporteur M. E. Lamballais Rapporteur M. T. Poinsot Examinateur M. P. Chassaing Examinateur M. P. Gajan Examinateur M. D. Bissieres Examinateur

• gajan examinateur


• excellentes relations par le biais du contrat europeen


• dimi- nution des polluants et des nuisances sonores


• configurations de jets transverses


• chef de l'equipe cfd


• passees au cerfacs

Sujets

• Prière
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Gicquel

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 79
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

TH È SE

présentée

pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUS É Ecole doctorale : Edyf Spécialité : Dynamique des Fluides

Titre de la thèse

par

Céline Prière

Sous la direction deThierry Poinsot

SIMULATIONSAUXGRANDES É CHELLES: APPLICATION AU JET TRANSVERSE

Soutenue le 4 Janvier 2005 devant le jury composé de :

M. M. M. M. M. M.

P. E. T. P. P. D.

Sagaut Lamballais Poinsot Chassaing Gajan Bissières

Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur

Résumé

Depuis plusieurs années, l’industrie des turbines à gaz place au cœur de sa stratégie de recherche les enjeux à la fois environnementaux et économiques tels que : la dimi nution des polluants et des nuisances sonores et la réduction de consommation du car burant. Les progrès considérables enregistrés dans ce domaine sont particulièrement dus au développement de nouveaux moteurs à grand taux de dilution dont le fonctionne ment s’effectue en régime globalement pauvre, ainsi qu’à l’amélioration du mélange dans les foyers. Dans ce domaine, le jet transverse à un écoulement principal bénéficie depuis longtemps d’une attention particulière : il constitue un cas intermédiaire représentatif d’une chambre de combustion et permet d’effectuer des comparaisons directes entre les simulations numériques et l’expérience. Dans ce contexte de développement industriel, la contribution de la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un outil de recherche très performant dans la modélisation de tels écoulements. Le principal objectif de cette thèse vise à évaluer et à améliorer la qualité des prédictions LES sur des configurations de jets transverses isolés ou multiples. Un ensemble d’outils numériques et de techniques développés dans le code de calcul compressible AVBP est présenté dans ce travail. Les différents paramètres physiques et numériques à considérer pour l’étude de telles configura tions sont également mis en évidence et des stratégies pouvant apporter des améliorations significatives sur les prédictions LES sont proposées. Les différents travaux étudiés dans cette thèse sont les suivants :  Etude de l’influence des conditions aux limites et du système d’injection d’un jet trans verse isolé libre.  Etude d’un dispositif statique d’augmentation du mélange dans une configuration de jets transverses d’une turbine à gaz industrielle.  Etude d’une configuration de jets transverses d’une conduite cylindrique représentant une chambre de dilution de moteur à faibles émissions polluantes.

Large eddy simulations of Jets In Cross Flow

Abstract

Nowadays, environmental and economic constraints require considerable research ef forts from the gas turbine industry. Objectives aim at lowering pollutants emissions and fuel consumption. These efforts take a primary importance to satisfy a continue growth of energy production and to obey to stringent environmental legislations. Recorded pro gresses are linked to mixing enhancement in combustors running at lean premixed opera ting point. Indeed, industry shows itself to be attentive in the mixing enhancement and during the last years, efforts are concentrated on fresh and burned gas dilution. The Jet In Cross Flow (JICF), which constitutes a representative case to further the research effort. It has been to be widely studied both in experimentally and numerically, and is parti cularly well suited for the evaluation of Large Eddy Simulations (LES). This approach, where large scale phenomena are naturally taken into account in the governing equation while the small scales are modelled, offers the means to wellpredict such flows. The main objective of this work is to gauge and to enhance the quality of the LES predictions in

JICF configurations by means of numerical tools developed in the compressible AVBP code. Physical and numerical parameters considered in the JICF modelisation are taken into account and strategies that are able to enhance quality of LES results are proposed. Configurations studied in this work are the following :  Influences of the boundary conditions and jet injection system on a free JICF  Study of static mixing device in an industrial gas turbine chamber.  Study of a JICF configuration represented a dilution zone in low emissions combustors.

4

Remerciements

Je tiens à remercier, dans un premier temps, Thierry Poinsot, mon directeur pour m’avoir guidé au cours de ces trois années passées au CERFACS. J’ai apprécié son dynamisme et sa franchise en tant que chef de l’équipe CFD mais compétences scientifiques très diversifiées.

de thèse à la fois aussi ses

1 2 Je souhaite naturellement remercier messieurs Pierre Sagaut et Eric Lamballais pour 3 4 avoir accepté d’être rapporteurs, ainsi que Patrick Chassaing , Pierre Gajan et Dominique 5 Bissières qui ont accepté d’évaluer mon travail.

Mes remerciements vont également à Pierre Gajan et Alain Strzelecki de l’ONERA avec qui j’ai entretenu d’excellentes relations par le biais du contrat européen MOLECULES.

Les personnes qui m’ont aidé dans mon travail sont nombreuses mais je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Laurent Gicquel, tant pour avoir suivi toutes les étapes de ce travail, pour son aide et les innombrables conseils qu’il m’a prodigués, que pour sa patience et sa sympathie qui se sont révélées très précieuses, notamment durant les périodes un peu plus difficiles.

L’administration et l’équipe CSG du support informatique du CERFACS n’échapperont pas à mes remerciements, en particulier Marie et Chantal qui sont restées disponibles à tout moment. Je tiens à dire enfin que ce travail a été grandement facilité par l’ambiance chaleureuse et agréable que fait régner l’ensemble des thésards et des permanants qui travaillent au CERFACS.

1 Professeur à l’Université de Paris VI 2 Professeur à l’Université de Poitiers 3 Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse 4 ONERA, Centre de Toulouse, DMAE 5 Turboméca, Division Etudes moteurs/Combustion

A mes parents et à Seb...

6

Table

des

matières

Introduction générale

1.1 1.2 1.3 1.4

1 Le mélange dans les écoulements turbulents et les turbines à gaz Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Le mélange à la stœchiométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Le mélange turbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 La préparation du mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le contexte industriel des turbines à gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Les spécificités des turbines à gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 La formation et les émissions des polluants . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 La contribution du mélange dans les moteurs à faibles émissions polluantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Etat de l’art dans la recherche des turbines à gaz . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Résumé des méthodes expérimentales en formation du mélange . . . 1.3.2 La LES : un outil de base pour étudier le mélange . . . . . . . . . . 1.3.3 Exigences des TAG pour les simulations LES . . . . . . . . . . . . . Les objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Le concept de«coarse grid LES»: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Les configurations choisies pour la thèse . . . . . . . . . . . . . . .

11

15 15 15 16 17 17 17 21 24 26 26 28 30 31 31 31

2 Le jet transverse isolé (JICF) 35 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2 Etude bibliographique d’un JICF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Comportement moyen du JICF et ses caractéristiques . . . . . . . . 37 2.2.2 Aspect instationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7

TABLEDESMATI È RES

3

4

5

6

2.2.3 2.2.4

Injection et mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

L’approche LES 3.1 La méthodologie LES pour étudier le mélange en géométries complexes . . 3.1.1 Le filtre LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Les équations NavierStokes non réactives . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Les équations filtrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Les modèles de sousmaille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Présentation du code de calcul AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Les conditions aux limites dites caractéristiques . . . . . . . . . . . 3.2.2 L’injection de turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 La loi de paroi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48 52

53 53 53 54 57 57 61 63 63 67 69

Validation de la LES et du code de calcul AVBP pour des cas académiques 73 4.1 La turbulence homogène isotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.1 Formalisme statistique et THI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.2 THI et DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1.3 THI et LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2 Concept de«coarse grid LES». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103. . . 4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.2 Cas d’un écoulement turbulent en conduite cylindrique . . . . . . . 104 4.2.3 Visualisations de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.4 Analyses statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Article :Large eddy simulation predictions of mixing enhancement for jets in crossflows115

LES de jets de dilution transverses dans une configuration industrielle 117 6.1 La configuration MOLECULES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

8

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

LES d’un JICF et validation de la loi de paroi Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les simulations numériques . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . 7.2.2 Les paramètres du domaine de calcul . . . . . 7.2.3 Les paramètres des simulations . . . . . . . . Le cas d’Andreopoulos & Rodi . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Le domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Dynamique de l’écoulement en champ proche 7.3.3 Comportement moyen du jet . . . . . . . . . . Le cas de Smith & Mungal . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Le domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2 Dynamique de l’écoulement en champ proche 7.4.3 Comportement moyen du jet . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Simulations numériques de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Le domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Les paramètres de la simulation . . . . . . . . . . . . . . Caractérisation de la dynamique de l’écoulement . . . . . . . . . 6.3.1 Mise en évidence des structures caractéristiques du jet . 6.3.2 Fréquences d’apparition des différentes structures . . . . Comportement moyen de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Profils de vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Trajectoires et décroissances . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

153 . 153 . 154 . 154 . 155 . 156 . 157 . 157 . 158 . 162 . 167 . 167 . 168 . 170 . 173

7

A Diagnostics A.1 Diagnostics pour le mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4

TABLEDESMATI È RES

9

Conclusions

. . . . 120 . . . . 120 . . . . 124 . . . . 127 . . . . 128 . . . . 128 . . . . 133 . . . . 141 . . . . 141 . . . . 150 . . . . 152

6.3

6.5

183 . . . . . . 183

175

6.2

TABLEDESMATI È RES

A.1.1 Les indices de mélanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 A.1.2 La fonction de densité de probabilité (pdf) . . . . . . . . . . . . . . 184 A.2 Diagnostic pour les vortex : le critère Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Article 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Article 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

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