Modélisation numérique d'un injecteur aéromécanique : de l'écoulement interne au spray dispersé

par Alberto Remigi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François-Xavier Demoulin et de Marc Massot.

Le président du jury était Federico Piscaglia.

Le jury était composé de Nicolas Grenier, Petar Tomov.

Les rapporteurs étaient Stéphane Vincent, Pierre Boivin.


  • Résumé

    La réglementation plus stricte sur les émissions des moteurs aéronautiques posée par l’OACI nécessite des outils de conception toujours plus prédictifs. La distribution des diamètres des gouttelettes produites pendant le processus de combustion est un paramètre clé pour prédire les émissions de polluants libérées pendant le processus de combustion. L’étude du phénomène d’atomisation avec son caractère multi-échelles est donc un défi pertinent et important. Pour cette raison, les objectifs de cette étude sont: tout d’abord de passer en revue les modèles existants dans la littérature, pour comprendre leurs caractéristiques clés, afin de définir une classification qui donne des lignes directrices sur les choix de modélisation; deuxièmement, d’appliquer des approches plus compatibles avec les problématiques industrielles du secteur sur une configuration aéronautique, afin de proposer une amélioration des outils de conception disponibles. Une classification systématique des modèles est effectuée par rapport à l’échelle de longueur considérée pour représenter les caractéristiques de l’interface. De ce point de vue, il est possible de distinguer deux types d’approches: la représentation des phases séparées et la représentation des phases mixtes. Les approches diffuse interface appartiennent à la seconde catégorie avec de nombreuses autres approches, compressibles et incompressibles, qui partagent la même caractéristique: elles considèrent un mélange qui contient les deux phases. Une configuration de nappe de liquide assistée par air a été conçue pour tester différents modèles afin de définir une mesure de comparaison. Deux représentations différentes de l’approche sharp interface (ARCHER et InterFoam ), deux représentations de l’approche diffuse interface (CEDRE et ELSA ) et un modèle hybride (ICMelsa ) ont été considérés dans cette étude. Une comparaison en deux parties basée sur des quantités statistiques a été proposée. Une première partie appelée "étude classique", compare les statistiques du premier ordre montrant que toutes les approches conduisent à des résultats très similaires dès qu’un certain niveau de résolution de maillage est atteint. Au contraire, les secondes statistiques présentent des différences notables. Ces résultats motivent une deuxième partie appelée «analyse de phase» pour étudier le lien entre la représentation à petite échelle de l’interface et la statique du second ordre. En particulier, la variance du marqueur de phase et le niveau de ségrégation associé se révèlent être des indicateurs sensibles de la description del’interface. Une analyse de signal 1D montre qu’ils peuvent être utilisés pour détecter toutécart par rapport à la représentation des phases séparées, puis l’importance de la variance de l’indicateur de phase est démontrée sur d’autres statistiques de second ordre: les composantes de contrainte de Reynolds et le flux de liquide turbulent. Ainsi, les statistiques du second ordre sont partiellement décrites avec des représentations directes de phases mixtes et nécessitent un modèle complémentaire pour être entièrement récupérées. Une première tentative, basée sur une approche linéaire, est proposée pour modéliser le niveau de ségrégation de la représentation des phases mixtes, construit en filtrant un signal totalement ségrégé à une échelle donnée.

  • Titre traduit

    Numerical modeling of an aeronautical injector : from the internal flow to the dispersed spray


  • Résumé

    The more stringent regulation about aeronautical engines emission posed by ICAO requires always more predictive design tools. The droplets diameter distribution produced during the atomization process is a key parameter in order to predict the pollutant emission released during the combustion process. Thus the study of the atomization phenomenon with itsmulti-scale nature is a relevant and an important challenge. For this reason the objective of this work are: first to review the existent models in the literature to understand their key features in order to define a classification that gives guidelines on the modeling choices; second to apply industrial oriented approaches on an aeronautical configuration, in order to propose an improvement of the available design tools. A systematic classification of the models is done with respect to the length-scale considered to represent the interface characteristics. From this point of view, it is possible to distinguish two kinds of approaches: the separated phases representation and the mixed phases representation. The diffuse interface approaches belongs on the second category together with many other approaches, compressible and incompressible, that share the same characteristic: they considers a mixture that contains both phases. An air-assisted liquid sheet configuration has been built to test different models in order to define a metric of comparison. Two different models using the sharp interface approach (ARCHER and InterFoam ), two models using the diffuse interface approach (CEDRE and ELSA ) and an hybrid model (ICMelsa ) have been considered on this test case. A comparison on two parts, based on statistical quantities, has been proposed. A fist part called "classical study", compare the first order statistics showing that all approaches lead to very similar results, as soon as certain level of mesh resolution is achieved. At the contrary the second order statics present noticeable differences. These results motivate a second part called "phase analysis" to study the link between the small scale representation of the interface and the second-order statics. In particular, the phase marker variance and the associated segregation level are found to be sensible indicators of the interface description. A 1D signal analysis shows that they can be used to detect any departure from the separated phases representation.Then the importance of the phase indicator variance is demonstrated on other second-order statistics: Reynolds stress components and turbulent liquid flux. Thus, second-order statistics are partly described with direct mixed phases representations and require complementary model to be fully recovered. A first attempt, based on a linear approach, is proposed to model the level of segregation of mixed phases representation. It is based on the filtering of a fully segregated signal at a given scale. In a second part of this thesis, an industrial test case (a pressure swirling injector) proposed by SAFRAN Aircraft Engines is studied. Three industrial oriented models, among those studied in the first part, have been applied to simulate this injector flow (InterFoam , ELSA , ICMelsa). Their present numerical approaches are able to work with complex geometries, with a computational effort representative of the industrial current standards. The results of the three models (liquid film thickness, breakup length and Sauter Mean Diameter) have been compared with respect to the available experimental data. Eventually, a proposal to improve the ICMelsa model multi-scale have been successfully tested on the liquid sheet configuration and implemented to further improve the results of the SAFRAN Aircraft Engines industrial case. These results have shown that we are very close to predict the characteristics of a spray produced by a real aeronautical injection system.


  • Résumé

    Le normative più rigorose sulle emissioni dei motori aeronautici poste dall’ICAO, richiedono strumenti di progettazione sempre più predittivi. La distribuzione dei diametri delle droplets prodotte durante il processo di atomizzazione è un parametro chiave per predire l’emissione di inquinanti rilasciati durante il processo di combustione. Lo studio del fenomeno di atomizzazione con la sua natura multi scala diventa una sfida rilevante. Per questo motivo, gli obiettivi di questo lavoro sono: in primo luogo una revisione dei modelli esistenti in letteratura per comprenderne le caratteristiche chiave al fine di definire una classificazione che dia delle linee guida sulle scelte di modellistica; in secondo luogo applicare approcci orientati all’industria ad una configurazione aeronautica, al fine di proporre un miglioramento degli strumenti di progettazione disponibili al giorno d’oggi. Nella prima parte del PhD proponiamo una classificazione sistematica dei modelli rispetto alla scala di lunghezza considerata per rappresentare l’interfaccia. Da questo punto di vista, è possibile distinguere due tipi di approccio: una rappresentazione a fasi separate e una rappresentazione delle fasi miste. Gli approcci a interfaccia diffusa appartengono alla seconda categoria insieme a molti altri approcci (che ricorrano ad un approccio comprimibile o incomprimibile) che condividono la stessa caratteristica: considerano una miscela che contiene entrambe le fasi. È stata realizzata una configurazione air-assisted liquid sheet per testare diversi modelli al fine di definire una metrica di confronto. In questo caso per i test sono stati considerati due diversi modelli che utilizzano l’approccio sharp interface (ARCHER e InterFoam ), due modelli che utilizzano l’approccio a interfaccia diffusa (CEDRE e ELSA ) e un modello ibrido (ICMelsa ). È stato proposto un confronto su due parti, basato su statistiche di diversa natura. Una prima parte chiamata "studio classico", confronta le statistiche del primo ordine, le quali mostrano che tutti gli approcci portano a risultati molto simili non appena viene raggiunto un certo livello di risoluzione della mesh. Al contrario, le statistiche di secondo ordine presentano notevoli differenze. Questi risultati motivano una seconda parte dello studio, chiamata "analisi di fase" sviluppata per studiare il legame tra le piccole scale dell’interfaccia e le statiche di secondo ordine. In particolare, la varianza del marker di fase e il livello di segregazione associato si trovano ad essere indicatori sensibili alla descrizione dell’interfaccia. Un’analisi di un segnale 1D mostra che questi due indicatori possono essere utilizzati per rilevare qualsiasi deviazione dalla rappresentazione a fasi separate. successivamente l’importanza della varianza del marker di fase è dimostrata su altre statistiche di secondo ordine: componenti del tensore degli sforzi di Reynolds e flusso liquido turbolento. Pertanto, le statistiche di secondo ordine che sono descritte con una rappresentazione a fasi miste richiedono un modello complementare per essere completamente recuperate. Un primo tentativo, basato su un approccio lineare, è proposto per modellare il livello di segregazione della rappresentazione a fasi miste. Si basa sul filtraggio di un segnale completamente separato su una data scala. In una seconda parte della tesi viene studiato un caso industriale (un iniettore di tipo swirling) proposto dall’azienda SAFRAN Aircraft Engines . Per simulare il flusso prodotto da questo iniettore sono stati applicati tre modelli (con un approccio industriale) tra quelli studiati nella prima parte (InterFoam , ELSA , ICMelsa ).


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