Analyse et amélioration d'une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles

Analysis and improvement of a centimetric burner by large-eddy simulations

• Auteur / Autrice : Pierre Bénard
• Direction : Yves d' Angelo, Vincent Moureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique. Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 08/10/2015
• Etablissement(s) : Rouen, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Goupil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Moureau, Christophe Goupil, Nasser Darabiha, Arnaud Mura, Xue-Song Bai, Fabio Cozzi, Vincent Giovangigli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nasser Darabiha, Arnaud Mura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Thermochimie

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Hydrogène (combustible)

Tourbillons (mécanique des fluides)

Combustion

Simulation des grandes échelles

Chambres de combustion

Mots clés libres

Mésocombustion

Chimie complexe

Enrichissement en hydrogène

Mesocombustion

Large-eddy simulation

Complex chemistry

Hydrogen enrichment

Résumé

Réaliser un système de combustion à petite échelle reste aujourd’hui un défi. L’augmentation du rapport surface/volume favorise les pertes thermiques, contribue à la diminution du temps de séjour et limite la turbulence. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques intervenant dans un brûleur centimétrique tourbillonnaire de 8 x10 x 8 mm3 (millimètre cube) et mettre au point des outils numériques adaptés. L’écoulement réactif méthane/air est étudié au moyen de simulations numériques LES. La combustion ne consomme pas l’intégralité du carburant, entraînant un rendement de combustion de l’ordre de 50% et d’importantes émissions de polluants. Le deuxième objectif est d’adapter les performances de ce brûleur. L’enrichissement en hydrogène a montré une amélioration sensible du rendement et une réduction des émissions polluantes. Plusieurs configurations géométriques de la chambre ont aussi été étudiées, ce qui a permis de dégager des axes d’améliorations.

Designing a meso-scale combustion system remains a challenging scientific and technological issue. Increasing the surface-to-volume ratio promotes wall heat losses, reduces the residence time and turbulence intensity. The main objective of this thesis is to understand the physical phenomena involved in the centimetre-sized asymmetric whirl cubic burner of 8 x 10 x 8 mm3 (millimètre cube) and develop specific adapted numerical tools. The methane/air reactive flow is studied using detailed LES. While fuel and air are injected separately, combustion takes place in the premixed regime. However combustion is far from being complete, causing low combustion efficiency and significant emissions of pollutants. The second objective is to adapt in the best possible way the performances of this burner. Hydrogen enrichment of the fuel mixture showed significant efficiency enhancement and reduced pollutant emissions. Several other combustor geometries are also studied, paving the way for future improvement.