Simulation numérique de l’écoulement d’un mélange air et phase dispersée pour l’allumage d’une chambre de combustion aéronautique via un formalisme Euler Lagrange

Numerical simulation of an air flow with a dispersed phase for the ignition of an aeronautical combustion chamber with an Euler Lagrange method

• Auteur / Autrice : Loïc Hervo
• Direction : Bénédicte Cuenot, Jean-Mathieu Senoner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Multi-Physique pour l'Energétique - DMPE (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Fiorina, Stéphane Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Halter, Arnaud Mura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lagrange, Équations de

Écoulement diphasique

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Écoulement diphasique

Combustion

Allumage

Spray

Euler-Lagrange

Numerical simulation

Multiphase flow

Combustion

Ignition

Spray

Euler-Lagrange

Résumé

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d'outils numériques permettant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de l'allumage d'un écoulement turbulent diphasique dans une chambre de combustion. Pour ce faire, une méthode de dépôt d'énergie modélisant l'apport d'énergie lié au claquage de la bougie d'allumage a été implémentée dans la chaîne de calcul CEDRE. Cette méthode a été validée sur une simulation de l'allumage d'un écoulement laminaire purement gazeux d'air et de propane. Une SGE de l'écoulement d'air du MERCATO a été effectué à l'aide du solveur Navier-Stokes CHARME de CEDRE. Cette simulation reproduit fidèlement l'écoulement turbulent non-réactif dans la chambre de combustion. Une méthode d'injection simplifiée FIMUR a été ajoutée au solveur lagrangien SPARTE de CEDRE. Dans cette méthode, des gouttes sont injectées directement au nez de l'injecteur avec une distribution de vitesse et de taille imposée. Une SGE de l'écoulement turbulent diphasique dispersé non-réactif dans la chambre MERCATO a ensuite été réalisée avec cette méthode. La comparaison des champs particulaires moyens de vitesse et de taille obtenus par simulation numérique avec les données expérimentales est satisfaisante. Enfin, des SGE de l'allumage de la chambre MERCATO ont été effectuées à partir du champ diphasique non-réactif simulé et de la méthode de dépôt d'énergie développée. Selon l'instant du dépôt d'énergie, les simulations conduisent à des allumages réussis ou ratés. La propagation de la flamme dans la chambre pour un allumage réussi a fait l'objet d'une analyse détaillée pour tenter de déterminer les principaux facteurs l'influençant.

The goal of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools for the Large Eddy Simulation (LES) of the ignition of a turbulent multiphase flow in a combustion chamber. An energy deposition method that models the energy supplied by the spark plug to the flow was implemented in the CEDRE code. This method was validated on a simulation of the ignition of a purely gaseous laminar propane-air flow. Then, a LES of the non-reacting gas flow in the monosector combustor MERCATO was performed with the Navier-Stokes solver CHARME of the CEDRE code. The comparison between simulations and experiments demonstrates that the main flow field features are well reproduced. In order to simulate the non-reacting dispersed two-phase flow of the same configuration, a simplified injection method called FIMUR was implemented in the Lagrangian solver SPARTE of the CEDRE code. In this method, droplets are injected directly at the tip of the injector with velocities deduced from experimental correlations while the size distribution is directly obtained from experimental data. The comparison of the mean droplet velocity and diameter fields in the vicinity of the injector between simulations and experiments appears satisfactory. Finally, LES's of the ignition of the MERCATO were performed using the non-reacting two-phase flow simulations and the aformentioned energy deposition method. Depending on the instant of energy deposition, the simulations lead to successful or failed ignitions. The flame propagation in a successful ignition was analysed in order to attempt to determine the physical phenomena at play and to better understand them.