Simulation aux grandes échelles de la combustion haute pression pour la validation à priori des diagnostics optiques

High-pressure combustion large-eddy simulation for an a priori optical diagnostics validation

• Auteur / Autrice : Patricia Domingo-Alvarez
• Direction : Frédéric Grisch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Mourad Boukhalfa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grisch, Marc Bellenoue, Laurent Gicquel, Vincent Moureau, Fabrice Foucher, Sébastien Ducruix, Michel Cazalens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Bellenoue, Laurent Gicquel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Moteurs -- Combustion

Aéronautique

Écoulement diphasique

Fluorescence induite par laser

Flamme

Atomisation

Turbulence

Effets des hautes pressions

Combustion

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Combustion turbulente

Spray

Large-Eddy Simulation

Turbulent combustion

High-pressure

Spray

Laser-Induced Fluorescence

Résumé

Afin de réduire la consommation spécifique et les émissions de CO₂ des moteurs aéronautiques, les industriels cherchent à augmenter la pression maximale dans le cycle thermodynamique de Brayton. Cette augmentation de pression entraîne un fort impact sur la structure de la flamme (épaisseur, vitesse, cinétique chimique) mais également sur les émissions de polluants, tels que les NOx. Les émissions de NOx peuvent être limitées en adoptant des technologies innovantes comme les chambres de combustion low-NOx. De même, la haute pression dans la chambre impacte également les propriétés radiatives des gaz brûlés, qui sont importantes pour les diagnostics optiques utilisés pour caractériser la flamme. Un nouveau système d’injection de type pauvre prémélangé (LP pour Lean-Premixed) pour brûleurs aéronautiques a été étudié expérimentalement au laboratoire CORIA à Rouen avec des diagnostics optiques avancés. Dans le cadre de ces travaux, des simulations aux grandes échelles de ce système ont été réalisées pour un point de fonctionnement de référence à 8.33bar et 669.3K. L’impact des caractéristiques de l’atomisation sur la flamme est évalué par une étude paramétrique. Une analyse du temps d’évaporation caractéristique et de son influence sur la flamme a été effectuée. Cette étude paramétrique montre que la qualité de l’atomisation influence fortement la topologie de la flamme et la distribution du combustible dans la chambre de combustion. Les résultats numériques sont ensuite comparés aux données expérimentales afin d’apporter des précisions sur la topologie de la flamme. De plus, un modèle à deux niveaux capable de simuler la Fluorescence Induite par Laser (LIF) a été développé. Le but de ce modèle est de pouvoir comparer des images brutes obtenues expérimentalement avec les résultats numériques. À cet effet, l’interaction faisceau laser / gaz brûlés est modélisée pour quantifier les phénomènes d’absorption et de “quenching”, qui sont importants pour obtenir des mesures quantitatives à partir du signal de fluorescence. Avec ce modèle, les simulations permettent d’évaluer les propriétés radiatives des gaz brûlés le long du parcours de la nappe laser.

To reduce the specific consumption and CO2 emissions of aircraft engines, manufacturers are seeking to increase the maximum pressure in Brayton’s thermodynamic cycle. This pressure increase has a strong impact on the flame structure (thickness, speed, chemical kinetics) but also on pollutant emissions. High pressure leads to an increase in NOx emissions, which can be reduced by the adoption of low-NOx technologies. It also impacts the radiative properties of the burnt gases. These burnt gases are important since they are used in optical diagnostics to characterize the flame. A new Lean-Premixed (LP) injection system for aeronautical burners was experimentally investigated with advanced optical diagnostics at CORIA laboratory in Rouen. This work aims to perform Large-Eddy Simulations of this injector at a reference operating point at 8.33 bar and669.3K. The spray features impact on the flame is assessed by a specific parametric study. An analysis of the characteristic evaporation time and its influence on the flame is carried out. This parametric study shows that the quality of atomization strongly influences the flame topology and fuel distribution in the combustion chamber. The numerical results are then compared with the experimental data. In addition, a two-level model capable of simulating Laser Induced Fluorescence (LIF) has been developed. The purpose of this model is to be able to compare raw images obtained experimentally with numerical results. To this purpose, the interaction between the laser sheet and the burnt gases is modeled to quantify the absorption and quenching phenomena, which are important to obtain quantitative measurements from a fluorescence signal. With this model, simulations are used to evaluate the radiative properties of the burnt gases along the laser sheet path.