Simulation aux Grandes Echelles d'un statoréacteur, Large-Eddy Simulation of Ramjets

Anthony Roux

Description

Sous la direction de Laurent Gicquel, Thierry Poinsot
Thèse soutenue le 02 juillet 2009: INPT
La conception d'un statoréacteur bénificie aujourd'hui des progrès divers des outils numériques permettant par la même occasion d'alléger les différentes étapes préliminaires de tests en géométrie réelle nécessaires au développement de telle configuration. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) afin de contribuer à la validation de ce nouvel outil numérique pour la simulation de statoréacteur et ainsi de contribuer à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans ces chambres de combustion. L'outil numérique est tout d'abord adapté pour la simulation des écoulements réactifs fortement turbulents avec un accent mis sur la gestion des chocs avec des schémas centrés et la discrétisation de la convection pour la simulation Eulérienne de la phase dispersée. La configuration cible est le Statoréacteur de Recherche'' étudié expérimentalement par l'ONERA. Sa simulation est réalisée de manière graduelle. Tout d'abord, il est montré que la simulation de la totalité de la configuration, y compris les diffuseurs d'entrée où se positionne un réseau de choc, est essentielle afin de considérer une géométrie acoustiquement close pour reproduire correctement les modes d'oscillation du statoréacteur. La pertinence du schéma cinétique est aussi étudiée et il est montré l'importance de bien reproduire l'évolution de la vitesse de flamme adiabatique pour une plage de richesse grande, en raison du régime de combustion partiellement prémélangé. Finalement, trois cas à richesse différente sont simulés et un excellent accord est trouvé avec l'expérience. La phénoménologie et les mécanismes pilotant la combustion sont alors étudiés pour ces trois cas.
-Simulations aux Grandes Echelles
-Statoréacteur
-Turbulence
-Instabilitiés de combustion
-Ecoulement Diphasique
Design of ramjets benefits today from the progress of numerical tools which relieve the various test stages of real engines that remain necessary for the development of such a kind of configuration. The objective of this dissertation is to develop a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) to contribute to the validation of this new type of advanced numerical tool for the simulation of ramjets and improve the understanding of combustion in these devices. The numerical tool is first adapted for the simulation of highly turbulent reacting flows with emphases on the management of shocks with centered schemes and the discretization of convection for the Eulerian simulation of the dispersed phase. The target configuration is the “Research ramjet” experimentally studied by ONERA. Simulation is carried out gradually. First, it is shown that the simulation of the entire configuration, including diffusers at the inlets where shocks appear is essential to consider an acoustically close geometry to properly reproduce the oscillation modes of combustion. The relevance of the kinetic scheme is also studied. It is shown that reproducing the evolution of the adiabatic flame speed for a wide range of equivalence ratio is critical because of the partially premixed combustion regime involved in this configuration. Finally, three different cases are simulated and excellent agreement is found with experimental data. The phenomenology and the different mechanisms governing combustion are studied for these three cases.
-Large-Eddy Simulation
-Ramjet
-Turbulence
-Combustion instabilities
-Two-Phase Flows
Source: http://www.theses.fr/2009INPT025H/document

Sujets

• Statoréacteur

Informations

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• Nombre de lectures: 63
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

T H E S E
E n v u e d e l ' o b t e n t i o n d u
DD OO CC TT OO RR AA TT DD EE LL ’’ UU NN II VV EE RR SS II TT ÉÉ DD EE TT OO UU LL OO UU SS EE
D é l i v r é p a r I n s t i t u t N a t i o n a l P o l y t e c h n i q u e d e T O UL O US E
D i s c i p l i n e o u s p é c i a l i t é : D y n a m i q u e d e s F l u i d e s
Pr é s e n t é e e t s o u t e n u e p a r A n t h o n y R O U X
L e 2 J u i l l e t 2 00 9
S i m u l a t i o n a u x G r a n d e s E c h e l l e s
d ' u n s t a t o r é a c t e u r
J UR Y
M . M a s s o t E M 2 C , P r o f e s s e u r R a p p o r t e u r
D . V e y n a n t e E M 2 C , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e R a p p o r t e u r
E . D u f o u r M B D A , D o c t e u r / i n g é n i e u r E x a m i n a t e u r
G . L a v e r g n e O N E R A , P r o f e s s e u r E x a m i n a t e u r
G . S e a r b y I R P H E , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e E x a m i n a t e u r
N . B e r t i e r O N E R A , I n g é n i e u r d e R e c h e r c h e E x a m i n a t e u r
S . W e y D G A , C o r r e s p o n d a n t M e m b r e i n v i t é
T . P o i n s o t I M F T , D i r e c t e u r d e R e c h e r c h e C o - d i r e c t e u r d e t h è s e
L . G i c q u e l C E R F A C S , C h e r c h e u r s e n i o r D i r e c t e u r d e t h è s e
Ec o l e d o c t o r a l e : M é c a n i q u e , E n e r g é t i q u e , G é n i e c i v i l , P r o c é d é s
U n i t é d e r e c h e r c h e : C E R F AC S
D i r e c t e u r d e T h è s e : L a u r e n t G I C Q UE L
C o - D i r e c t e u r d e T h è s e : T h i e r r y P O I N S O T
R é f . C E R F A C S : T H - C F D - 0 9 - 6 52Resum´ e´
La conception d’un statoreacteur´ benificie´ aujourd’hui des progres` divers des outils numeriques´
permettant par la memeˆ occasion d’alleger´ les differentes´ etapes´ preliminaires´ de tests en geom´ etrie´
reelle´ necessaires´ au dev´ eloppement de telle configuration. L’objectif de cette these` est de dev´ elopper
une methodologie´ s’appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) afin de contribuer a` la
validation de ce nouvel outil numerique´ pour la simulation de statoreacteur´ et ainsi deuer a` la
comprehension´ des phenom´ enes` mis en jeu dans ces chambres de combustion. L’outil numerique´ est
tout d’abord adapte´ pour la simulation des ecoulements´ reactifs´ fortement turbulents avec un accent
mis sur la gestion des chocs avec des schemas´ centres´ et la discretisation´ de la convection pour la
simulation Eulerienne´ de la phase dispersee.´ La configuration cible est le “Statoreacteur´ de Recherche”
etudi´ e´ experimentalement´ par l’ONERA. Sa simulation est realis´ ee´ de maniere` graduelle. Tout d’abord,
´ ´ ´il est montre que la simulation de la totalite de la configuration, y compris les diffuseurs d’entree
ou` se positionne un reseau´ de choc, est essentielle afin de considerer´ une geom´ etrie´ acoustiquement
close pour reproduire correctement les modes d’oscillation du statoreacteur´ . La pertinence du schema´
cinetique´ est aussi etudi´ ee´ et il est montre´ l’importance de bien reproduire l’ev´ olution de la vitesse de
flammeadiabatiquepouruneplagederichessegrande,enraisonduregime´ decombustionpartiellement
prem´ elang´ e.´ Finalement, trois cas a` differente´ sont simules´ et un excellent accord est trouve´
avec l’experience.´ La phenom´ enologie´ et les mecanismes´ pilotant la combustion sont alors etudi´ es´ pour
cestroiscas.
Mots cl es´ : Simulations aux Grandes Echelles, Statoreacteur´ , Turbulence, Instabilities´ de combustion,
EcoulementDiphasique.
Abstract
Design of ramjets benefits today from the progress of numerical tools which relieve the various
teststagesofrealenginesthatremainnecessaryforthedevelopmentofsuchakindofconfiguration.The
objective of this dissertation is to develop a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) to
contribute to the validation of this new type of advanced numerical tool for the simulation of ramjets
and improve the understanding of combustion in these devices. The numerical tool is first adapted for
the simulation of highly turbulent reacting flows with emphases on the management of shocks with
centeredschemesandthediscretizationofconvectionfortheEuleriansimulationofthedispersedphase.
The target configuration is the “Research ramjet” experimentally studied by ONERA. Simulation is
carriedoutgradually.First,itisshownthatthesimulationoftheentireconfiguration,includingdiffusers
at the inlets where shocks appear is essential to consider an acoustically close geometry to properly
reproduce the oscillation modes of combustion. The relevance of the kinetic scheme is also studied. It
is shown that reproducing the evolution of the adiabatic flame speed for a wide range of equivalence
ratio is critical because of the partially premixed combustion regime involved in this configuration.
Finally,threedifferentcasesaresimulatedandexcellentagreementisfoundwithexperimentaldata.The
phenomenologyandthedifferentmechanismsgoverningcombustionarestudiedforthesethreecases.
Keywords :Large EddySimulation,Ramjet,Turbulence,Combustioninstabilities,Two PhaseFlows.Tabledesmatier` es
Remerciements 9
Introduction 11
1 IntroductionGen´ erale´ 13
1.1 Lapropulsionparstatoreacteur´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Etatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Motivationsetobjectifsdel’etude´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Organisationdumanuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I Modeles` physiquesetnumeriques´ pourlasimulationauxgrandesechelles´ 29
´2 Equationsdeconservationpourlesecoulements´ gazeuxreactifs´ 35
´2.1 Equationsetvariablesconservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Variablesthermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
´2.3 Equationd’etat´ desgazparfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Diffusionmoleculaire´ multi esp eces` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Diffusiondelachaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Coefficientsdetransportdiffusif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Cinetique´ chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
´ ´3 Equationsdeconservationpourlaphasedispersee 41
3.1 ApprocheLagrangienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 ApprocheEulerienne´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42`TABLE DES MATIERES
3.3 Equationsdeconservationeuleriennes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Modeles` defermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
´4 EquationspourlaSGEdiphasiquereacti´ ve 61
´4.1 EquationsLESpourlaphasegazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Modeles` desous maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
´ ´4.3 EquationsLESpourlaphasedispersee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Modeles` desous maillepourlaphasedispers ee´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5 Modele` decombustionturbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Approchenumerique´ 79
5.1 Lecode AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Discretisation´ cell vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Schemas´ numeriques´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Modeles` deviscosite´ artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6 Methodes´ pourlacapturedechocs 87
6.1 Problematique´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 LesMethodes´ decapturedechoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Comparaisondesmethodes´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7 Outilsdepost traitementetd’aide a` lacomprehension´ 95
7.1 Lescartesspectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 LesolveurdeHelmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3 LaDecomposition´ enModesPropres(POD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Exempled’applicationdestroisdiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
II SimulationauxGrandesEchellesd’unstatoreacteur´ 107
8 Presentation´ delaconfiguration 113
8.1 Leprogramme“Statoreacteur´ deRecherche” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6`TABLE DES MATIERES
8.2 Configuration . . . . . . . . . . .