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Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 66 |
Langue | English |
Poids de l'ouvrage | 19 Mo |
Extrait
Ecole Centrale Paris
P A R I S
THESE
présentée par
Ronan VICQUELIN
pour l’obtention du
GRADE de DOCTEUR
Formation doctorale : Energétique
Laboratoire d’accueil : Laboratoire d’Énergétique Moléculaire
et Macroscopique, Combustion (EM2C)
du CNRS et de l’ECP
Tabulation de la cinétique chimique pour la
modélisation et la simulation de la combustion
turbulente.
Soutenue le 17 Juin 2010
Jury : MM. Christophe Bailly Président
Michel Champion Rapporteur
Thierry Poinsot Rapporteur
Stéphane Carpentier Examinateur
Heinz Pitsch
Benoît Fiorina Co-encadrant
Olivier Gicquel Directeur de thèse
Ecole Centrale des Arts et Manufactures Laboratoire d’Énergétique 2010ECAP0015
Grand Établissement sous tutelle Moléculaire et Macroscopique,
du Ministère de l’Éducation Nationale
Combustion (E.M2.C.)Grande Voie des Vignes
92295 Châtenay-Malabry Cedex UPR 288, CNRS et Ecole Centrale Paris
Tél : 33 (1) 41 13 10 00 Tél : 33 (1) 41 13 10 31
Télex : 634 991 F EC PARIS
Fax : 33 (1) 47 02 80 35
tel-00495761, version 2 - 21 Jul 2010tel-00495761, version 2 - 21 Jul 2010Remerciements
Cette thèse a été réalisée au laboratoire EM2C de l’Ecole Centrale Paris et
au centre de recherche CRIGEN de GDF SUEZ qui a financé avec l’Agence
Nationale de la Recherche ces travaux.
Je tiens, tout d’abord, à remercier très chaleureusement Benoît Fiorina et
Olivier Gicquel pour leur excellent encadrement. Ils m’ont fait profiter de
leur grande expérience en combustion et ont su me guider efficacement tout
au long de cette thèse. Ils ont été très impliqués dans ces travaux de
recherche, ce qui a donné lieu à plusieurs moments de profusion d’idées.
Ces instants où la passion pour leur métier se lisaient dans leurs regards ont
marqué mon esprit. Sur un plan personnel, j’ai énormément apprécié leur
dynamisme, leur sympathie et leur optimisme à toute épreuve. Enfin, merci
à Olivier de m’avoir converti au Mac, je ne reviendrai plus en arrière !
Je remercie tout le personnel du pôle CHENE pour leur excellent accueil. Je particulièrement Stéphane Carpentier pour avoir suivi mon travail
et avoir accepté de participer au jury. Je remercie aussi Ghislain Lartigue
qui m’a encadré chez GDF SUEZ depuis mon stage de Master et pendant le
début de la thèse. Il a fait preuve d’une grande gentillesse et a toujours su
se rendre disponible à chaque fois que j’avais une question. Je remercie aussi
Sandra Payet qui m’a encadré par la suite. Sa bonne humeur m’a permis de
passer les caps difficiles sans encombre. J’ai aussi une pensée pour Guillaume
Daill et Erwin George du pôle INDUSTRIE qui m’ont appris les mystères
de la programmation dans CFX.
Je remercie sincèrement Christophe Bailly pour avoir assuré la présidence
de mon jury de thèse, Michel Champion et Thierry Poinsot pour avoir relu
avec minutie mon manuscrit en tant que rapporteurs, et Heinz Pitsch pour
avoir accepté de participer au jury en tant qu’examinateur.
J’adresse mes remerciements à tout le personnel du laboratoire EM2C, doc-
torants et permanents. Ils m’ont offert un environnement et une ambiance
de travail exceptionnels. J’ai une pensée particulière pour Antoine Mazas
qui a partagé mon bureau et a manié des flammes laminaires (en vrai !),
tel-00495761, version 2 - 21 Jul 2010iv
pour Paul Palies qui a envoyé/envoit/enverra toujours du "fat", pour Pierre
Auzillon pour sa sympathie et à qui j’ai laissé TTC et F-TACLES en toute
confiance. Je pense aussi à Jean Lamouroux qui poursuit la voie vers un
modèle pour la combustion sans flamme.
Je suis aussi très reconnaissant envers les chercheurs du laboratoire tou-
jours disponibles pour répondre à mes questions. Je pense notamment à
Nasser Darabiha et à Denis Veynante que j’ai accompagnés pendant un mois
à l’université de Stanford, séjour durant lequel j’ai beaucoup apprécié leur
compagnie (sans oublier Benoît qui connaissait toujours une bonne adresse
où manger un burger). Je remercie aussi très sincèrement Thierry Schuller
qui m’a offert l’opportunité d’enseigner la mécanique des fluides en classe de
TD aux élèves de Centrale. Ce fut une expérience que j’ai beaucoup aimée.
Merci à Yoann Méry (ami/co-étage/co-bureau/témoin/et maintenant col-
lègue docteur), qui (comme moi) est entré au laboratoire EM2C après ses
études à l’Ecole Centrale, pour tous ces bons moments de rire (et fou-rire),
d’aventures (cf. Californie) mais aussi de science !
Cetravailn’auraitpasétélemêmesansmonstagedeMasterquej’aieffectué
au CERFACS. Sous la direction de Thierry Poinsot, j’y ai appris l’art et la
manière de faire des calculs LES. Quand, pendant ma thèse, il a fallu mettre
les mains dans AVBP, j’ai toujours trouvé une personne au CERFACS pour
répondre à mes questions. Je remercie en particulier Gabriel Staffelbach
et Olivier Vermorel qui savaient éclairer ma lanterne lorsque je parcourais
AVBP. J’ai aussi une pensée pour Guilhem Lacaze et Thomas Schmitt qui
m’ont fait part de leur expérience sur la LES des jets ronds. Un grand merci
aussi à Matthieu Boileau qui met son expérience au service de tous depuis
son arrivée au laboratoire EM2C.
Merci à ma famille (père, mère, frères, grand-mére, oncles, tantes, cousin(e)s,
..) et à mes amis (de Bayeux et de Centrale) pour leur attention lorsque je
leur parlais de combustion sans flamme sans qu’ils ne me prennent pour un
ahuri. Je les remercie pour leur soutien et leurs encouragements.
Un très grand merci à Juliette, mon épouse, qui m’a accompagné et soutenu
tout au long de ces travaux et lors de la période de rédaction.
tel-00495761, version 2 - 21 Jul 2010Résumé
Cette thèse se situe dans le cadre de la simulation numérique de la combus-
tion turbulente à l’aide de méthodes de tab de la cinétique chimique.
En approximant la structure fine des flammes turbulentes, ces méthodes
prennent en compte des effets fins de cinétique chimique pour un faible coup
dans les calculs numériques. Ceci permet de prédire les champs de tempéra-
ture et d’espèces chimiques incluant les polluants. Le champ d’application
de la chimie tabulée a d’abord été réservé à la simulation des écoulements
moyens(RANS)dansunehypothèsedefaiblenombredeMachpourunecom-
bustion dite "conventionnelle". Cependant, le développement actuel de nou-
velles technologies de combustion ainsi que celui de modèles numériques plus
avancés que les approches RANS nécessite d’étendre ce champ d’application.
Les travaux de cette thèse ont mené au développement de nouveaux modèles
de chimie tabulée afin de répondre à ces nouvelles exigences.
L’émergence de nouvelles technologies comme la combustion sans flamme né-
cessiteledéveloppementdemodèlesdédiés. Cemodedecombustionprésente
en effet des structures de flamme mixtes. C’est pourquoi un modèle de tabu-
lation de la cinétique chimique nommé UTaC (Unsteady flamelets Tabulated
Chemistry) est proposé pour prédire la combustion diluée à haute tempéra-
ture qui caractérise la combustion sans flamme. Le modèle est basé sur
la tabulation de solutions instationnaires de flammelettes non-prémelangées
qui s’auto-allument. Les pertes thermiques et la dilution variable des gaz
brûlés sont négligés dans le cadre de cette thèse par soucis de simplifica-
tion et de clarté de la validation du modèle. Le modèle est appliqué au
cas d’un jet de combustible dilué dans un environnement de gaz vicié qui
favorise l’auto-allumage comme moyen de stabilisation d’une flamme liftée.
Plusieurs simulations RANS sont réalisées en faisant varier le combustible
utilisé. Enfin, une simulation aux grandes échelles (LES) est aussi conduite
pour le mélange méthane/air.
Plusieurs codes numériques dédiés à la LES sont basés sur une formula-
tion compressible des équations de Navier-Stokes. Cependant les méthodes
de tabulation ne permettent pas directement de prendre en compte les ef-
fets acoustiques. Un modèle appelé TTC (Tabulated Thermo-chemistry for
Compressible flows) a été créé afin d’introduire les méthodes de chimie tab-
ulée dans les codes numériques compressibles. Pour cela, le calcul de la
tel-00495761, version 2 - 21 Jul 2010vi Résumé
température est reformulé ainsi que le traitement des conditions aux limites
à l’aide d’ondes caractéristiques.
Enfin, l’application de modèle RANS de