Large Eddy Simulations of the interactions between flames and thermal phenomena : application to wall heat transfer and combustion control

par Dario Maestro

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Thierry Poinsot et de Gabriel Staffelbach.

Le président du jury était Deanna Lacoste.

Le jury était composé de Thierry Poinsot, Deanna Lacoste, Pascal Bruel, Benoît Fiorina, Oskar Haidn, Bénédicte Cuenot.

Les rapporteurs étaient Pascal Bruel, Benoît Fiorina.

  • Titre traduit

    Simulations aux grandes échelles des interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques : application au transfert de chaleur à la parois et au contrôle de la combustion


  • Résumé

    Les interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques sont le fil conducteur de ce travail. En effet, les flammes produisent de la chaleur, mais peuvent aussi être affectées par des transferts ou des sources de chaleur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est utilisée ici pour étudier ces interactions, en mettant l’accent sur deux sujets principaux: le transfert de chaleur aux parois et le contrôle de la combustion. Dans un premier temps, on étudie le transfert de chaleur aux parois dans un modèle de brûleur CH4/O2 de moteur-fusée. Dans un contexte deréutilisabilité et de réduction des coûts des lanceurs, qui constituent des enjeux majeurs, de nouveaux couples de propergols sont envisagés et les flux thermiques à la paroi doivent êtreprécisément prédits. Le but de ce travail est d’évaluer les besoins et les performances des SGEpour simuler ce type de configuration et de proposer une méthodologie de calcul permettant desimuler différentes configurations. Les résultats numériques sont comparés aux donnéesexpérimentales fournies par la Technische Universität München (Allemagne). Dans un deuxième temps, le contrôle de la combustion au moyen de décharges de plasma de type NRP (en anglaisNanosecond Repetitively Pulsed) est étudié. Les systèmes de turbines à gaz modernes utilisent en effet une combustion pauvre dans le but de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. Les flammes pauvres sont connues pour être sujettes à des instabilités et le contrôle de la combustion peut jouer un rôle majeur dans ce domaine. Un modèle phénoménologique qui considère les décharges de plasma comme une source de chaleur est développé et appliqué à un brûleur pauvre avec prémélange CH4/Air stabilisé par un swirler. LesSGE sont réalisées afin d’évaluer les effets des décharges NRP sur la flamme. Les résultats numériques sont comparés aux observations expérimentales faites à la King Abdulla University ofScience and Technology (Arabie Saoudite)


  • Résumé

    Interactions between flames and thermal phenomena are the guiding thread of this work. Flamesproduce heat indeed, but can also be affected by it. Large Eddy Simulations (LES) are used hereto investigate these interactions, with a focus on two main topics: wall heat transfer andcombustion control. In a first part, wall heat transfer in a rocket engine sub-scale CH4/O2 burner isstudied. In the context of launchers re-usability and cost reduction, which are major challenges,new propellant combinations are considered and wall heat fluxes have to be precisely predicted.The aim of this work is to evaluate LES needs and performances to simulate this kind ofconfiguration and provide a computational methodology permitting to simulate variousconfigurations. Numerical results are compared to experimental data provided by the TechnischeUniversität München (Germany). In a second part, combustion control by means of NanosecondRepetitively Pulsed (NRP) plasma discharges is studied. Modern gas turbine systems use indeedlean combustion with the aim of reducing fuel consumption and pollutant emissions. Lean flamesare however known to be prone to instabilities and combustion control can play a major role in thisdomain. A phenomenological model which considers the plasma discharges as a heat source isdeveloped and applied to a swirl-stabilized CH4/Air premixed lean burner. LES are performed inorder to evaluate the effects of the NRP discharges on the flame. Numerical results are comparedwith experimental observations made at the King Abdulla University of Science and Technology(Saudi Arabia).


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