Simulation aux grandes échelles implicite et explicite de la combustion supersonique

Implicit and Explicit Large-Eddy Simulation of Supersonic Combustion

• Auteur / Autrice : Anthony Techer
• Direction : Arnaud Mura, Guillaume Lehnasch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 20/11/2017
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Michel Champion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Boivin, Nabiha Chaumeix, Forman Arthur Williams
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Fernando Figueira da Silva, François-Xavier Demoulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Mélange

Compressibilité

Runge-Kutta, Méthode de

Dynamique des fluides

Hydrogène

Jets pariétaux

Statoréacteurs à combustion supersonique

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Auto-allumage

Auto-ignition

Résumé

Cette Thèse de doctorat est consacrée à l’étude, par simulation aux grandes échelles ou LES (Larg eeddy simulation), d’un jet pariétal d’hydrogène sous-détendu dans un écoulement transverse supersonique d’air vicié. Cette configuration est représentative des conditions d’écoulement rencontrées dans les moteurs aérobies de type super-statoréacteurs (scramjets). En effet, les futurs systèmes de transport à grande vitesse dépendent fortement du développement de ce type de moteur. Dans de telles conditions, l’écoulement d’air chaud est maintenu supersonique dans la chambre de combustion afin de réduire les effets induits par l’échauffement et la dissociation de l’air. Nous étudions les processus de mélange et de combustion qui se développent en aval du jet de combustible. Ce travail s’appuie sur l’emploi d’un outil de simulation numérique haute fidélité : CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver) développé à l’Institut Pprime. Ce code de calcul met en oeuvre des schémas numériques d’ordre élevé : schéma Runge–Kutta d’ordre 3 pour l’intégration temporelle combiné à un schéma WENO d’ordre 7 et centré d’ordre 8 pour la discrétisation spatiale. Les simulations réalisées dans des conditions inertes permettent de caractériser l’importance des interactions choc/turbulence avec une attention particulière accordée à la description des fluctuations de composition à l’échelle non-résolue (i.e. sous-maille). Compte tenu de leur niveau de résolution,les simulations réactives permettent quant à elles une analyse détaillée du mode de stabilisation et des régimes de combustion turbulente rencontrés fournissant ainsi des informations très précieuses quant à l’adéquation des modélisations existantes pour ces conditions extrêmes.

This dissertation is devoted to the Large-eddy simulation (LES) study of a wall hydrogen underexpanded jet in a supersonic crossflow of vitiated air. This configuration is representative of flow conditions encountered in aerospace engines such as supersonic combustion ramjet (scramjets). Indeed, future of high-speed transport systems heavily depends on the development of this type of engine. Under such conditions, the high temperature flow of vitiated air is maintained supersonic in the combustion chamber to reduce effects of heating and dissociation. The mixing and combustion processes that develop downstream of the fuel jet are studied. This work is based on the use of a high fidelity numerical simulation: CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver) which is developed at the Pprime Institute. This computational solver makes use of high precision numerical schemes: a 3rd order Runge–Kutta scheme for the time integration combines with a 7th order WENO and 8th order centered scheme for the spatial discretisation. Non-reactive simulations allow to characterize the importance of shock/turbulence interactions with special attention paid to the description of the unresolved (i.e. sub-grid scale) scalar fluctuations. The reactive simulations allow to perform a detailed analysis of the stabilization mode and turbulent combustion regimes tha are encountered, thus providing valuable information about the possible adequacy of the available representation for these extreme conditions.