Vers des simulations numériques prédictives des détonations gazeuses : influence de la cinétique chimique, de l’equation d’etat et des effets tridimensionnels

Towards predictive simulations of gaseous detonations - Influence of chemical kinetics, equation of state and three-dimensional effects

• Auteur / Autrice : Saïd Taileb
• Direction : Ashwin Chinnayya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 13/10/2020
• 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 / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Josue Melguizo-Gavilanes, Pascale Domingo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Bauwens, Rémy Mével

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cellulaire (physique)

Simulation par ordinateur

Runge-Kutta, Méthode de

Ondes de détonation

Instabilités hydrodynamiques

Hautes pressions

Gaz rares

Équations d'état

Cinétique chimique

Mots clés libres

RESIDENT (Recycling mesh SImulation of DEtonations)

Moteurs à détonation

RESIDENT (Recycling mesh SImulation of DEtonations)

Detonation motors

Résumé

La présente étude s’inscrit dans le cadre général des simulations numériques des détonations dans des conditions non-idéales. Les configurations abordées correspondent à des écoulements rencontrés dans les accidents industriels ainsi que dans les moteurs à détonation rotative, dans lequel le combustible est injecté à des pressions élevées dans un milieu confiné par des gaz inertes. Les simulations conduites reposent sur un code de simulation numérique RESIDENT (REcycling mesh SImulation of DEtonations) développé à l’Institut Pprime. Il s’appuie sur des schémas numériques d’ordre élevé adaptés à la capture des chocs, avec un schéma d’interpolation MP d’ordre 9, un solveur HLLC-M et une intégration temporelle de Runge-Kutta d’ordre 3. Dans un premier temps, l’influence des équations d’état (EOS) sur la structure cellulaire de la détonation a été étudiée avec les deux EOS : gaz parfaits et Noble-Abel. Les résultats ont montré que l’interaction d’une ligne de glissement avec un ensemble de points triples est responsable de la création d’un nouveau point triple. L’augmentation du coefficient isentropique post-choc inhibe l’apparition de ces instabilités et régularise la structure cellulaire. Ce résultat tire son importance du fait que la structure cellulaire conditionne les règles empiriques de dimensionnement. Dans un second temps, l’influence de la modélisation de la cinétique chimique sur la structure de la détonation et ses limites d’extinction a été étudiée à l’aide de trois schémas cinétiques de complexité croissante : chimie à une étape globale, à trois étapes et chimie détaillée. Malgré les similitudes sur la dynamique du front et sur la structure cellulaire, les résultats présentent des différences significatives lorsque la détonation est soumise à des pertes latérales par un confinement par gaz inerte.Cette étude met en évidence l’impact du modèle cinétique sur la prédiction des limites d’extinction des détonations observées expérimentalement. Finalement, l’influence des effets tridimensionnels sur la dynamique de la détonation a été étudiée. Des comparaisons de simulations 2-D et 3-D ont été effectuées dans le cas d’une configuration d’une détonation marginale et d’une détonation semi-confinée. Malgré les différences dans la topologie de l’écoulement,des similitudes ont été observées dans la structure moyenne lorsque la détonation est idéale. L’analyse de l’énergie des fluctuations totale a révélé que les fluctuations d’entropie sont plus importantes que les fluctuations totales de pression. Dans le cas de la détonation semi-confinée, les effets 3-D se manifestent par un déficit de vitesse moindre qu’en 2-D lorsque la détonation se propage à la même hauteur réactive. Le déficit de vitesse est alors corrélé au rapport de l’épaisseur hydrodynamique avec le rayon de courbure, malgré une courbure moyenne plus importante du front en 3-D.

This study is part of the general framework of numerical simulations of detonations under non-ideal conditions.The configurations discussed correspond to flows encountered in industrial hazards and rotating detonation engines.Simulations are based on an inhouse code RESIDENT (REcycling mesh SImulation of DEtonations) developed at the Pprime Institute. It is based on high-order shock capturing schemes, with a MP9 interpolation scheme, a HLLC-M solver and a 3rd Runge-Kutta time integration. At first, the influence of the equation of state (EOS) on the cellular detonation structure has been studied with two EOS : Perfect gas and Noble-Abel. The numerical results have shown that new triples points are generated from the interaction of a slip line with already existing triple points. The increase of the post-shock isentropic coeffient has inhibited the appearance of these instabilities and has regularized the cell structure. This results may be important as engineering correlations are based on the cell size and regularity. Secondly, the influence of chemical modelling on the structure of the detonation and its extinction limits were studied using three kinetic models of increasing complexity : single-step, three-step chain-branching and detailed chemistry. Despite the macroscopic features are similar, the outcome of the critical height of a detonation confined by an inert layer is significantly different, highlighting the impact of the kinetics in predicting the extinction limits observed in experiments. Finally, the influence of three-dimensional effects on the dynamics of detonation was studied. Comparisons of 2-D and 3-D simulations are carried out in the case of marginal and semi-confined detonations. Despite the differences observed in the flow topology, similarities were found in the mean structure when the detonation propagation is ideal. The analysis of the total fluctuation energy revealed that entropy fluctuations are more important than pressure fluctuations. In the case of semi-confined detonation, 3-D effects manifests a smaller velocity deficit than in 2-D when the detonation propagates at the same reactive height. The velocity deficitis correlated to the ratio of the hydrodynamic thickness to the radius of curvature, despite the higher average curvature of the 3-D front.