Questions de modélisation pour les simulations numériques de chambres de combustion aéronautiques

Modeling questions for numerical simulations of aeronautical combustors

• Auteur / Autrice : Adrien Chatelier
• Direction : Benoît Fiorina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 26/06/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• 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 : Benoît Fiorina, Thierry Schuller, Bruno Renou, Christophe Duwig, Eleonore Riber, Dirk Roekaerts, Francis Dupoirieux, Nicolas Bertier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Renou, Christophe Duwig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Flamme

Chambres de combustion

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Simulation aux Grandes échelles

Simulation Zonale des échelles Détachées

Combustion turbulente

Chimie tabulée

Dynamique de flamme

Flamme diphasique

Modèle F-TACLES

Large eddy simulation

Zonal detached eddy simulation

Turbulent combustion

Tabulated chemistry

Flame dynamics

Two-Phase flame

F-TACLES model

Résumé

La conception de chambres de combustion aéronautiques requiert un compromis entre les différents phénomènes physiques présents, comme les interactions entre la flamme et la turbulence, les pertes thermiques, la dynamique de flamme ou l'évaporation du carburant et son mélange. De nombreux outils numériques existent dans la littérature pour prédire ce genre d'écoulements réactifs turbulents. Les modèles de turbulence instationnaires, par exemple LES (Large Eddy Simulation), sont un excellent compromis pour la prédiction du mélange dans des configurations réalistes. L'approche de chimie tabulée représente un équilibre attrayant entre coût de calcul et précision pour la prédiction de structure de flamme. Dans cette thèse, des modèles de turbulence avancés et de chimie tabulée sont appliqués à des configurations complexes afin d'évaluer leur capacité à prédire la structure de flammes turbulentes. La prédiction de la FDF (Flame Describing Function) par le modèle F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) est comparé à des données expérimentales pour une flamme swirlée, prémélangée et non-adiabatique. La FDF est bien prédite pour une large plage de fréquences et deux niveaux de fluctuations de vitesse. L'origine des différences est analysée. La première application du modèle F-TACLES à un brûleur diphasique est proposée. Le brûleur choisi est la flamme jet diphasique KIAI, récemment étudié au CORIA. Une comparaison détaillée avec l'expérience est faite et montre que F-TACLES est capable de prédire la bonne forme de flamme. Le modèle ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) est étudié dans la configuration TLC, un injecteur aéronautique réaliste. En non-réactif, la ZDES est validée par rapport aux mesures de vitesse expérimentales et comparée à des résultats de LES. En conditions réactives, la prédiction des profils de température dans la chambre de combustion est grandement améliorée en ZDES.

The design of aeronautical combustion chambers requires a precise balance between the different physical phenomena involved, such as flame-turbulence interaction, heat losses, flame dynamics or fuel evaporation and mixing. Numerous numerical tools exist in the literature to predict these kinds of turbulent reacting flows. The unsteady turbulence models, for example LES (Large Eddy Simulation), represent an excellent compromise for the prediction of the mixing in realistic configurations. The tabulated chemistry approach is an attractive trade-off between computation cost and accuracy for predicting the structure of flames. In this thesis, advanced turbulence and tabulated chemistry models are applied to complex configurations in order to assess their ability to predict the structure of turbulent flames. The prediction of the FDF (Flame Describing Function) by the F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) model is compared to experimental data for a non-adiabatic premixed swirled flame. The FDF is well predicted for a wide range of frequencies and two velocity fluctuation levels. The origin of the discrepancies is analyzed. The first application of the F-TACLES model in a two-phase burner is proposed. The chosen burner is the KIAI spray jet flame, recently studied at CORIA. A detailed comparison with the experiments is performed and shows that F-TACLES is able to predict the correct flame shape. The ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) model is studied in a realistic aeronautical injector, the TLC configuration. In cold conditions, the ZDES is validated against velocity measurements and compared to LES results. In reacting conditions, the prediction of temperature profiles in the combustion chamber is greatly improved in the ZDES.