Modélidation de la combustion diluée par tabulation de la cinétique chimique

Diluted combustion modeling by chemistry tabulation approach

• Auteur / Autrice : Jean Lamouroux
• Direction : Olivier Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 19/03/2013
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Mourad Boukhalfa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gicquel, Luc Vervisch, Laurent Gicquel, Benoît Fioriana, Mathieu Ourliac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la combustion

Combustion

Thermochimie

Mots clés libres

Combustion diluée

Chimie tabulée

Simulations aux Grandes Echelles

Diluted combustion

Chemistry tabulation

Large Eddy Simulation

Résumé

Cette thèse se situe dans le cadre du projet CANOE, piloté par GDF SUEZ et l'ADEME, qui vise à étudier la faisabilité et la viabilité du régime de combustion sans flamme dans les chaudières industrielles. Il est maintenant établi que le préchauffage des réactifs permet d'améliorer le rendement thermique et de diminuer la consommation de combustible d'une configuration. Pour contourner la formation d'oxydes d'azote résultant de l'augmentation de température des réactifs, ces derniers peuvent être massivement dilués par des produits de combustion. Cela permet d'éviter la formation de points chauds et d'homogénéiser les gradients de température: c'est le principe de la combustion sans flamme. L'objectif de cette thèse est de développer un modèle de combustion turbulente adapté à ce type de régime. La cinétique chimique complexe et le contrôle des pertes thermiques est d'une importance capitale dans l'établissement et la stabilisation du processus de combustion sans flamme. Ici, ces effets sont considérés dans une approche de tabulation de la cinétique chimique de type FPV. Pour discriminer les effets associés aux évolutions suivant les paramètres de contrôle de nos bases de données, on effectue une analyse des réponses de flammes laminaires à différents niveaux de dilution et de pertes thermiques. De plus, nous évaluons l'importance de l'utilisation de tabulations de dimensions élevées, et les capacités prédictives des méthodes de tabulation développées sont mises en exergue. Puis, des simulations aux grandes échelles de la turbulence de configurations adiabatique et à parois refroidies sont effectuées. On compare des tabulations de nombre de degrés de libertés variés aux données expérimentales. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec ces dernières pour les tabulations les plus complexes, alors que des limitations significatives apparaissent pour des tabulations de dimensions inférieures. Les simulations proposées indiquent la capacité de nos modèles à reproduire des structures de flammes réalistes.

This thesis is within a framework of the CANOE project, under the responsibility of GDF SUEZ and the ADEME, and aims at studying the feasibility of the flameless combustion regime in industrial boilers. It is now well established that reactants preheating allows an improvement on thermal efficiency as well as fuel savings. To avoid an increase in nitrogen oxides emissions arising from reactants temperature augmentation, massive dilution of the reactants by burnt gases can be used. While doing so, hot spots are averted and temperature gradients are smoothed: it’s the principle of flameless combustion. Even though this combustion regime is a subject of increasing interest to the industry, its mechanisms are not yet fully understood. The objective of this work is to develop and validate a new turbulent combustion model adapted to this kind of regimes. Complex chemistry as well as heat losses control is of paramount importance in the establishment and stabilization of the flameless combustion process. Here, these effects are taken into account in an FPV-type chemistry tabulation approach. To discriminate the effects associated with evolutions along the database control parameters, we analyze laminar flame responses to different levels of dilution and heat losses. Moreover, we assess the importance of high-order tabulations, and predictive capabilities of our approaches are highlighted. Then, large-eddy simulations of laboratory scale experiments (an adiabatic and a cooled wall configuration) are carried out. To this end, we compare databases featuring different number of dimensions to experimental data on temperature and species distributions available in the literature. Simulation results are in very good agreement with experimental data for complex tabulations, while discrepancies arise for lower order tabulations. Simulation results show that flameless combustion features a wide variety of flame structures, and that our models are able to tackle realistic flame structures.