Investigating the LES strategy for the prediction of soot production in an aero-engine combustor

par Livia Pereira Tardelli

Thèse de doctorat en Combustion

Le président du jury était Pascale Domingo.

Le jury était composé de Bénédicte Cuenot, Antonio Andreini, Christian Angelberger.

Les rapporteurs étaient Pascale Domingo, Bénédicte Cuenot.

  • Titre traduit

    Étude de la stratégie LES pour la prédiction de la production de suies dans une chambre de combustion de type aéronautique


  • Résumé

    La prédiction de la production des suies à l’aide de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) représente un défi scientifique pour plusieurs raisons. La modélisation des processus physico-chimiques impliqués dans la production de ces particules fait encore défaut. Ensuite, dans les dispositifs présentant un intérêt pratique, des régimes de combustion multiples coexistent, ce qui présente une difficulté supplémentaire à la modélisation de tels phénomènes. De plus, les particules de suies sont confinées dans des structures soumises au transport turbulent. En raison de leur taille, un modèle de sous-maille est nécessaire. Pour finir, la validation de nouveaux modèles est difficile lorsqu’on considère ce type de flamme en raison du couplage non-linéaire entre les différents phénomènes et du besoin d’importantes ressources de calcul pour obtenir une représentation statistique fiable. L’objectif principal de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Européen SOPRANO, est d’évaluer la fiabilité du formalisme SGE pour la prédiction des suies dans une configuration de type aéronautique (le brûleur DLR). Initialement, un modèle amélioré du mécanisme réactionnelle pour des particules de suie est proposé, permettant une bonne prédiction de la fraction volumique dans les flammes laminaires prémélangées et non-prémélangées, ce qui est essentiel pour les configurations turbulentes à multi-régimes comme la configuration étudié. Ensuite, une simulation SGE de la production des suies dans le brûleur DLR est réalisé avec une chimie tabulée et un modèle de suies à trois équation. Une analyse statistique révèle que les évènements gazeux favorables à la production de suies sont rares résultant dans une forte intermittence. Par conséquent, atteindre la convergence statistique de ce phénomène demande un temps physique très long. Ainsi, une nouvelle stratégie pour évaluer la réponse des modèles de suie prenant en compte son caractère intermittent dans les flammes turbulentes est proposé. Basée sur une LES unique où l’ensemble d’équations décrivant les suies est dupliqué (un ensemble représente le modèle de référence et l’autre le modèle à évaluer) cela permet aux deux ensembles d’interagir avec la même évolution temporelle et spatiale de la phase gazeuse et ainsi d’évaluer la réponse des modèles au même évènement rare sans atteindre la convergence statistique. Grâce à cette approche, les premières indications de la contribution du modèle d’intermittence de sous-maille pour la phase solide à la prédiction des suies dans le brûleur DLR sont proposées.


  • Résumé

    Predicting soot production in industrial systems using a Large Eddy Simulation (LES) approach represents a great challenge for many reasons. First, in- depth knowledge and modeling of the complex physico-chemical processes involved in soot production are still lacking. Second, multiple combustion regimes coexist in technical devices, presenting an additional difficulty for high fidelity simulations. Third, soot particles are con- fined in very thin structures interacting with turbulence. Because of their size, these structures may not be re- solved on the LES grids, so specific soot subgrid-scale models are required. Finally, the validation of newly developed models is difficult due to the non-linear inter- actions between such multi-physical phenomena and the massive computational resources required for a reliable statistical representation. In the framework of the SO- PRANO European Project this thesis aims to investigate the reliability of the LES formalism for the prediction of soot production in an aero-engine model combustor, the DLR burner. First, an improved soot model with a new soot surface reaction mechanism is proposed, enabling the reproduction of the experimental soot yield in lami- nar premixed and non-premixed flames, which is essen- tial for multi-regime turbulent configurations as the DLR burner. Then the reliability of the LES formalism, based on a tabulated chemical model and a three-equation soot model, is evaluated through statistical analysis. This analysis reveals that soot occurrence is rare as it requires specific flow conditions rarely observed in the studied configuration. Therefore, numerical convergence is quite challenging to be achieved when considering soot pro- duction. Since unaffordable CPU cost is required for a reliable soot prediction, a new strategy based on a unique LES transporting a duplicated set of soot equations is proposed to rigorously investigate soot models in tur- bulent flames. One set accounts for the soot reference model, while the other is treated with the model un- der the scope. Therefore, both sets experience the same unique temporal and spatial gas phase evolution allow- ing the analysis of the instantaneous model response to rare gaseous events leading to soot production without attaining convergence. Thanks to this approach, the first indications of the soot intermittency model contribution to soot prediction in the DLR burner are proposed.


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