Analyse et réduction de la cinétique chimique pour la combustion

Analysis and reduction of chemical kinetics for combustion applications

• Auteur / Autrice : Quentin Cazeres
• Direction : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 13/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Alexandre Glaude
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Pierre-Alexandre Glaude
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Epaminondas Mastorakos, Marco Mehl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Ravitaillement

Combustion

Hydrogène

Mots clés libres

Cinétique chimique

Chimie réduite

Hydrogène

Kérosène

Multi-composants

Chemical kinetics

ARC

Combustion

Hydrogen

Kerosene

Multi-component

Résumé

La combustion de carburants fossiles est utilisée depuis des décennies pour nombre d'applications, de la génération d'électricité au fonctionnement des moteurs d'avions, mais c'est également une des raisons principales du dérèglement climatique. De nouveaux carburants, durables et moins polluants, doivent être étudiés afin de diminuer l'impact humain sur notre planète. La combustion est un procédé complexe alliant mécanique des fluides, thermodynamique et chimie avec des centaines d'espèces impliquées dans celle-ci. Afin de pouvoir utiliser les outils de la simulation numérique pour représenter des phénomènes de plus en plus complexes, des cas canoniques jusqu'à des Simulations aux Grandes Échelles (SGE), l'analyse des chemins chimiques prépondérants et la réduction des mécanismes réactifs est nécessaire. La Chimie Analytiquement Réduite (CAR) est une méthode pour réduire la taille et la complexité des mécanismes chimiques dans laquelle seules les espèces et les réactions cohérentes avec les conditions opératoires sont gardées. La CAR n'est qu'une méthode parmi les nombreuses méthodologies pour la réduction de la cinétique chimique mais avec la complexité grandissante des carburants qui devront être étudiés dans les prochaines années, elle se distingue plus que jamais. Le premier objectif de ce travail est de développer une procédure entièrement automatique pour le développement de CAR sans demander à l'utilisateur une expertise poussée de la réduction et d'une manière adaptable au plus de conditions possibles dans un but de versatilité. Ce premier objectif a été rempli par la création du code ARCANE dont les performances sont démontrées sur 2 configurations. La première configuration consiste en une flamme swirlé de méthane/air prémélangée avec 2 niveaux d'enrichissement à l'hydrogène calculée avec le solveur AVBP. Le mécanisme CAR a été réduit en incluant les NOx et l'espèce chimiluminescente OH*. La réduction capture correctement les résultats expérimentaux et les effets de l'enrichissement sur la structure de flamme. La présence d'OH* dans le mécanisme permet une comparaison plus directe entre la simulation numérique et les expériences. La simulation numérique est aussi utilisée de manière prédictive pour identifier l'effet de l'enrichissement sur les émissions de NOx. La seconde configuration comporte la réduction de 3 carburants pour l'aviation (du kérosène conventionnel, un kérosène de synthèse renouvelable et un kérosène riche en aromatiques) décrits par des modèles à 3 composants. Les schémas réduits obtenus ont ensuite été utilisés dans des cas canoniques de combustion diphasique. Le modèle d'évaporation multi-composants discret implémenté dans AVBP permet d'observer les effets de l'évaporation préférentielle sur la structure de flamme. Enfin, les différents carburants sont comparés pour identifier leurs particularités et déterminer les avantages de l'approche multicomposants.

Combustion of fossil fuels has been used for decades for all kinds of purposes, from generating electricity to make air planes fly but they are also the main source of pollution leading to climate change. New sustainable, less polluting fuels must be studied in order to diminish as much as possible the human impact on the planet. Combustion is a very complex process combining fluid dynamics, thermodynamics and chemistry with hundreds of species involved. In order to be able to use all the tools the numerical simulation has to offer with increasing complexity, from canonical cases to 3D Large Eddy Simulations (LES) with two-phase flows, analysing the relevant chemical pathways and reducing the reaction mechanisms describing this chemistry is necessary. Analytically Reduced Chemistry (ARC) is a way of reducing the size and the complexity of chemical mechanisms where only the species and reactions relevant to given conditions are kept while keeping a physically coherent mechanism. ARC lies among several methodologies for the reduction of kinetics but with the increasing complexity of the fuels and configurations that need to be studied in the future years, it is now more and more interesting. The first objective of this work is to develop a fully automatic procedure for developing ARC mechanisms that do not require and expert knowledge on kinetics and can be adapted to any kind of conditions to be as versatile as possible. This objective has been fulfilled by the creation of the code ARCANE and the second objective was to assess its performances in two different configurations. The first configuration consists in the combustion of premixed hydrogen-enriched methane/air in a swirled combustor with 2 levels of enrichment in the solver AVBP. The ARC mechanism has been derived with the prediction of NOx and the addition of the chemiluminescent species OH*. The fully automatic reduction of this mechanism is proven to capture well the experimental results and the effect of the enrichment level on the flame structure. The presence of OH* in the mechanism allows for more direct comparison with experiments and is the start of a discussion about the actual identification of the flame structure. Numerical simulation is also used in this case for the prediction of the NOx emissions and how it is affected by the hydrogen enrichment. The second configuration consists in the reduction of 3 aviation fuels (conventional kerosene, sustainable aviation fuel (SAF) and high-aromatic content kerosene) described by 3-components surrogates. The reduction of each fuel is then used in canonical configurations of liquid droplets combustion. The discrete evaporation model implemented in AVBP allows to observe the effects of the preferential evaporation on the flame structure. Finally, the different fuels are compared to one another to identify their particularities and assess the benefits of the multi-component approach.