Thèse soutenue

Modélisation de la formation de suies dans des flammes turbulentes par une approche de chimie virtuelle

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Hernando Maldonado Colman
Direction : Benoît FiorinaNasser DarabihaAlberto Cuoci
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Combustion
Date : Soutenance le 27/05/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
référent : CentraleSupélec (2015-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Guillaume Legros
Examinateurs / Examinatrices : Christian Hasse, Olivier Colin, Eleonore Riber, Daniel C. Haworth
Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Legros, Christian Hasse

Mots clés

FR  |  
EN

Résumé

FR  |  
EN

La modélisation de la formation de particules de suies est une tâche très difficile en raison des interactions multiples de plusieurs phénomènes physiques complexes. Les simulations numériques des flammes turbulentes produisant des suies impliquent le développement de modèles de suies élaborés souvent trop exigeants en termes de calcul. D’autre part, les modèles simplifiés de suies sont limités à une petite gamme de conditions de fonctionnement d'intérêt. Une approche globale optimisée et innovante, appelée chimie virtuelle, est proposée ici. Elle consiste en un formalisme mathématique comprenant des espèces virtuelles et des réactions virtuelles, dont les paramètres thermochimiques sont optimisés par un algorithme génétique, en utilisant une base de données d'apprentissage constituée d'éléments de flammes de référence. Elle permet alors de reproduire la structure des flammes hydrocarbures-air, ainsi que la prédiction d'espèces polluantes spécifiques définies par l'utilisateur, ici la fraction volumique de suies, pour de multiples régimes de combustion et conditions de fonctionnement. La chimie réduite finale consiste en 12 espèces virtuelles et 6 réactions virtuelles, ce qui réduit considérablement le temps de calcul par rapport aux modèles chimiques détaillés. Comme les pertes de chaleur radiative sont importantes dans les flammes de suies, un nouveau modèle virtuel radiatif est également développé pour en tenir compte. Des simulations de flammes éthylène-air laminaires 1-D et 2-D sont réalisées pour évaluer les modèles virtuels de suies et radiatifs. La température, la fraction volumique de suies et les pertes thermiques radiatives sont en bon accord avec les données de référence. Ensuite, les modèles virtuels développés sont mis à l'épreuve dans les simulations à grands échelles d'air (LES) de flammes turbulentes. Les temps caractéristiques liés à la combustion turbulente étant très courts comparés ceux de la formation des particules de suies, un nouveau modèle à l'échelle de la sous-maille est proposé ici pour gérer les termes filtrés de la source de suies dans un cadre de chimie virtuelle. Les nouveaux modèles de chimie virtuelle, radiatif et de sous-maille sont mis à l'épreuve dans une flamme turbulente 3-D éthylène-air non prémélangée. Les résultats sont validés avec des données expérimentales et des calculs de chimie détaillée.