Modélisation de la formation et de l’évolution des particules de suie en approche hybride Euler-Lagrange pour la simulation de foyers aéronautiques

par Nicolas Dellinger

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Guillaume Legros.

Le président du jury était Stéphane Popinet.

Le jury était composé de Klaus Peter Geigle, Nicolas Bertier.

Les rapporteurs étaient Bénédicte Cuenot, Pascale Domingo.


  • Résumé

    Les suies représentent un enjeu important pour la conception des foyers aéronautiques. Une nouvelle réglementation de leurs émissions doit en effet entrer en vigueur en 2020. Aussi, les suies modifient les transferts radiatifs en leur sein affectant la charge thermique aux parois et la formation des NOx. Prédire précisément et efficacement la formation et l’évolution des particules de suie est cependant une question toujours ouverte en CFD. Ce travail propose de combiner une description eulérienne des précurseurs de suie et une description lagrangienne de l’évolution des particules, celle-ci étant bien adaptée au suivi de l’évolution de leur distribution en taille. La croissance des hydrocarbures aromatiques polycycliques est modélisée par une méthode sectionnelle pour calculer le taux de nucléation de suies et créer les particules suivies dans l’écoulement. Celles-ci sont modélisées par des sphères interagissant avec le gaz et – pour les plus jeunes – entre elles par coalescence selon leur diamètre. La méthode est implantée dans le code CEDRE et associée à une procédure de réduction du nombre de particules pour en contrôler le coût de convergence statistique. Appliquée à des flammes laminaires stationnaires de prémélange C2H4-air, elle est confrontée à des mesures de composition, fraction volumique de suie et diamètre des particules avec succès. La méthode est utilisée, avec l’Approximation de l’État Quasi-Stationnaire appliquée à la chimie du gaz, pour simuler une flamme turbulente pressurisée C2H4-air analogue aux configurations RQL des foyers aéronautiques, et confrontée à des mesures de fraction volumique de suie, vitesse, température et composition avec succès.

  • Titre traduit

    Hybrid eulerian-lagrangian modelling of soot particles nucleation and evolution for the simulation of aeronautical combustors


  • Résumé

    Soot has become an important issue in the design of aeroengine combustors. New certifications on soot particles are to be applied in 2020 due to growing concern about pollutant emissions in the transportation industry. Soot particles also modify radiative heat transfers in combustion chambers affecting thermal load at walls and NOx formation. Still, efficient and accurate prediction of soot particles formation and evolution is an open field in CFD. This manuscript proposes to combine a Eulerian description of soot precursors and a Lagrangian description of particles evolution, which has the advantage to be well suited to follow the evolution of the particle size distribution. The growth of polycyclic aromatic hydrocarbons is modelled by a sectional method to obtain the soot inception rate and create the particles tracked in the gas flow. The particles are described as spheres interacting with the gas through chemical processes and between each other by coalescence, bounded to young liquid-like particles depending on their diameter. The method is implemented in the CEDRE code and completed by an algorithm for the reduction of the particles population to limit the cost of its statistical convergence. Applied to steady laminar premixed C2H4-air flames, it is confronted with some success to measurements of soot volume fraction, particle diameter and species molar fractions. The method is then applied combined with the Quasi-Steady State Approximation for gas chemistry to a swirled pressurized C2H4-air flame, similar to RQL configurations of aeroengine combustors, and confronted with some success to velocity, temperature, composition and soot volume fraction measurements.


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