Modélisation de la combustion dans le cadre des méthodes de Boltzmann sur réseau

Development of combustion modelling within Lattice Boltzmann framework

• Auteur / Autrice : Muhammad Tayyab
• Direction : Pierre Boivin, Pierre Haldenwang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sagaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kai H. Luo, Carmen Jimenez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christos Emmanouil Frouzakis, Arnaud Mura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Navier-Stokes, Équations de

Méthode de Boltzmann sur réseau

Combustion

Aérodynamique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Méthode Lattice Boltzmann

Écoulements réactifs

Combustion

Instabilités de flamme

Lattice Boltzmann method

Reactive flows

Combustion

Flame instabilities

Résumé

La simulation numérique des écoulements (CFD) est devenue incontournable dans l'industrie, où des simulations sont réalisées en permanence afin d'améliorer les concepts et produits. Dans le domaine de l'aérodynamique externe, un changement de paradigme s'est récemment opéré, depuis des méthodes de résolution des équations de Navier-Stokes vers les méthodes Lattice-Boltzmann (LB). Ce changement avait une motivation économique forte, les solveurs LB étant en général 5 à 10 fois plus rapides. Malheureusement pour la communauté de la combustion, celui-ci était basé sur l'hypothèse d'un écoulement isotherme, le rendant inadapté aux écoulements réactifs. L'objectif de cette thèse est de lever cette limitation et de proposer une méthode LB capable de traiter les écoulements réactifs. La méthode proposée dans ce manuscrit couple un solveur LB classique, pour la résolution des conservations de masse et de quantité de mouvement, avec un solveur aux différences finies classiques, pour la résolution de la conservation des espèces chimiques et de l'énergie. Le couplage entre ces deux solveurs est la clé de voûte de la méthode, assurant le bon lien entre pression, densité et température via la loi des gaz parfaits. Une grande variété de validations sont ensuite présentées, allant de flammes canoniques 1D et 2D (en prémélange et en diffusion) jusqu'à un brûleur expérimental 3D de 1.5m. La précision de la méthode est démontrée sur tous ces cas classiques, mais également sur des cas plus complexes, telles que des cas d'instabilités. Enfin, un benchmark DNS est présenté, montrant que le gain obtenu pour les écoulements isothermes est également transposable aux écoulements réactifs

Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a must-have design tool in the industry, where simulations are used to continuously improve geometries and designs. The external aerodynamics community has recently witnessed a paradigm shift, from Navier-Stokes based solvers to Lattice Boltzmann (LB) solvers. Unsurprisingly, this change was mostly motivated by costs, which were roughly divided by ten in the process. Unfortunately for the combustion community, this paradigm shift involved an iso-thermal flow assumption, incompatible with reactive flows in combustion. The objective of this thesis is to lift this limitation and extend the LB method to cope with reactive flows. Two different hybrid LB models are detailed in this work which are capable of computing various different combustion processes. The LB solver consists of a regularized thermal LB method based on the standard lattices (D2Q9, D3Q19), and the pressure is linked to the ideal gas law. The classical Finite Difference (FD) schemes are used to solve energy and species conservative equations. The methods are compressible and incorporate full thermo-fluid coupling. Validations are then performed on a wide variety of test cases, from 1D freely propagating premixed flame and 2D counter-flow diffusion flame, to complete unsteady simulation of a 1.5m combustion test rig. The accuracy of the method is demonstrated by comparing simulations of thermo-diffusive instabilities with experimental data. A 3D DNS benchmark is also presented, to show that the cost reduction obtained in the field of external aerodynamics is also achievable for reacting flows; perhaps providing the most important conclusion of this work