Prédiction du transfert radiatif au sein d’une flamme prémélangée swirlée à l’aide d’une méthode Quasi-Monte Carlo couplée à la simulation aux grandes échelles

Quasi-Monte Carlo computation of radiative heat transfer in coupled Large Eddy Simulation of a swirled premixed flame

• Auteur / Autrice : Lorella Palluotto
• Direction : Olivier Gicquel, Ronan Vicquelin, Alessandro Parente
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 04/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Université libre de Bruxelles (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Schuller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gicquel, Ronan Vicquelin, Alessandro Parente, Thierry Schuller, Mouna El Hafi, Florent Duchaine, Axel Coussement, Antonio Andreini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mouna El Hafi, Florent Duchaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Simulation des grandes échelles

Transfert radiatif

Mots clés libres

Quasi-Monte Carlo

Rayonnement

Combustion

Simulations aux grandes échelles

Quasi-Monte Carlo

Radiation

Combustion

Large Eddy Simulations

Résumé

La prédiction des flux aux parois joue un rôle déterminant dans le cycle de vie des chambres de combustion. Le transfert de chaleur de la flamme aux parois est entraîné, outre la convection, également par le rayonnement des gaz chauds au sein de la chambre. Afin d’intégrer les contributions convectives et radiatives au flux pariétal il est nécessaire de résoudre simultanément l’équation de transfert radiatif et les équations régissant l’écoulement réactif. Quand les méthodes de Monte Carlo sont couplées aux simulations aux grandes échelles (LES), de telles simulations deviennent très coûteuses. L’objectif de cette thèse est donc d’investiguer une technique pour améliorer l’efficacité de la méthode MC, basée sur un mécanisme alternatif d’échantillonnage appelée intégration Quasi-Monte Carlo (QMC). Au cours de cette thèse, la méthode QMC a été couplée à une simulation LES dans une configuration où le rayonnement joue un rôle très important : la flamme méthane-air de la chambre Oxytec. La comparaison entre les simulations couplées et non couplées avec les données expérimentales montre que le rayonnement thermique a un impact sur la topologie de l’écoulement et de la flamme. Enfin, un bon accord est trouvé entre le flux de chaleur pariétal prédit par la simulation et les données expérimentales.

The prediction of wall fluxes is a significant aspect in the life cycle of combustors, since it allows to prevent eventual wall damages. Heat transfer from flame to the walls is driven, apart from convection, also by radiation of burnt gases inside the chamber. In order to correctly account for both convective and radiative contributions to wall fluxes, the simultaneous solution of the radiative transfer equation (RTE) and the governing equations for reactive flows is required. However, multi-physics simulations where MC methods are coupled to Large Eddy Simulation (LES), remain very costly. The purpose of this study is then to investigate improvements of MC methods, by using an alternative sampling mechanism for numerical integration usually referred to as Quasi-Monte Carlo (QMC) integration. In this study, QMC method is coupled to Large Eddy Simulation (LES) of a configuration where the radiation plays an important role: the methane-air flame investigated during the experimental campaign Oxytec. Coupled and non-coupled simulations are compared and their comparison with experimental data shows that thermal radiation has an impact on both flow and flame topology. Finally a good agreement is found between numerical wall fluxes and experimental conductive fluxes.