Simulation par grands tourbillons de sprays d'évaporation dans des géométries complexes à l'aide de méthodes eulériennes et lagrangiennes

Large eddy simulation of evaporating sprays in complex geometries using Eulerian and Lagrangian methods

• Auteur / Autrice : Félix Jaegle
• Direction : Bénédicte Cuenot, Olivier Vermorel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 14/12/2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)

Mots clés

Mots clés libres

Les

Turbulence

Modèle de paroi

Loi de paroi

Ecoulement diphasique

Spray

Euler-Euler

Euler-Lagrange

Injection

Evaporation

Moteur d’avion

Chambre de combustion

Les

Turbulence

Wall model

Wall function

Two-phase flow

Spray

Euler-Euler

Euler-Lagrange

Injection

Evaporation

Aero-engine

Combustor

Résumé

Dû aux efforts apportés à la réduction des émissions de NOx dans des chambres de combustion aéronautiques il y a une tendance récente vers des systèmes à combustion pauvre. Cela résulte dans l'apparition de nouveaux types d'injecteur qui sont caractérisés par une complexité géométrique accrue et par des nouvelles stratégies pour l'injection du carburant liquide, comme des systèmes multi-point. Les deux éléments créent des exigences supplémentaires pour des outils de simulation numériques. La simulation à grandes échelles (SGE ou LES en anglais) est aujourd’hui considérée comme la méthode la plus prometteuse pour capturer les phénomènes d'écoulement complexes qui apparaissent dans une telle application. Dans le présent travail, deux sujets principaux sont abordés : Le premier est le traitement de la paroi ce qui nécessite une modélisation qui reste délicate en SGE, en particulier dans des géométries complexes. Une nouvelle méthode d'implementation pour des lois de paroi est proposée. Une étude dans une géométrie réaliste démontre que la nouvelle formulation donne de meilleurs résultats comparé à l’implémentation classique. Ensuite, la capacité d'une approche SGE typique (utilisant des lois de paroi) de prédire la perte de charge dans une géométrie représentative est analysée et des sources d'erreur sont identifiés. Le deuxième sujet est la simulation du carburant liquide dans une chambre de combustion. Avec des méthodes Eulériennes et Lagrangiennes, deux approches sont disponibles pour cette tâche. La méthode Eulérienne considère un spray de gouttelettes comme un milieu continu pour lequel on peut écrire des équations de transport. Dans la formulation Lagrangienne, des gouttes individuelles sont suivies ce qui mène à des équations simples. D’autre part, sur le plan numérique, le grand nombre de gouttes à traiter peut s’avérer délicat. La comparaison des deux méthodes sous conditions identiques (solveur gazeux, modèles physiques) est un aspect central du présent travail. Les phénomènes les plus importants dans ce contexte sont l'évaporation ainsi que le problème d'injection d'un jet liquide dans un écoulement gazeux transverse ce qui correspond à une version simplifiée d’un système multi-point. Le cas d'application final est la configuration d’un seul injecteur aéronautique, monté dans un banc d'essai expérimental. Ceci permet d'appliquer de manière simultanée tous les développements préliminaires de ce travail. L'écoulement considéré est non-réactif mais à part cela il correspond au régime ralenti d'un moteur d'avion. Dû aux conditions préchauffées, le spray issu du système d'injection multi-point s'évapore dans la chambre. Cet écoulement est simulé utilisant les approches Eulériennes et Lagrangiennes et les résultats sont comparés aux données expérimentales.

Due to efforts to reduce NOx emissions of aeronautical combustors, there is a recent trend towards lean combustion technologies. This results in novel injector designs, which are characterized by increased geometrical complexity and new injection strategies for the liquid fuel, such as multipoint systems. Both elements create additional challenges for numerical simulation tools. Large-Eddy simulation (LES) is regarded as the most promising method to capture complex flow phenomena in such an application. In the present work, two main areas of interest are considered: The first is wall modeling, which remains a challenging field in LES, in particular for complex geometries. A new implementation method for wall functions that uses a no-slip condition at the wall is proposed. It is shown that in a realistic burner geometry the new formulation yields improved results compared to a classical implementation. Furthermore, the capability of a typical LES with wall models to predict the pressure drop in a representative geometry is assessed and sources of error are identified. The second topic is the simulation of liquid fuel in a combustor. With Eulerian and Lagrangian methods, two different approaches are available for this task. The Eulerian approach considers a droplet spray as a continuum for which transport equations can be formulated. In the Lagrangian formulation, individual droplets are tracked, which leads to a simple formulation but can be challenging in terms of numerics due to the large number of particles to be treated. The comparison of these methods under identical conditions (gaseous flow solver, physical models) is a central aspect of the present work. The most important phenomena that are studied in view of the final application are evaporation and the problem of transverse liquid jets in a gaseous crossflow as a simplified representation of a multipoint system. The final application case is the configuration of a single aeronautical injector mounted in an experimental test bench. It allows to simultaneously apply all preliminary developments. The flow considered is non-reactive but otherwise corresponds to a partial load regime in an aeroengine Due to the pre-heated conditions, the spray issued by the multi-point injection undergoes evaporation. This flow is simulated using Eulerian and Lagrangian methods and the results are compared to experimental data.