Simulations numériques d'allumages des moteurs aéronautiques en conditions réalistes de hautes altitudes

Numerical simulations of aeronautical engine ignitions under realistic high altitude conditions

• Auteur / Autrice : Antoine Pestre
• Direction : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• 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 : Ronan Vicquelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber, Marc Bellenoue, Nicolas Bertier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Epaminondas Mastorakos, Stéphane Jay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Écoulement diphasique

Chimie analytique

Simulation numérique directe

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Basse pression

Basse température

Simulation de la dynamique des fluide

Simulation numérique directe

Chimie analytiquement réduite

Formation du noyau de flamme

Diphasique

Évaporation

Multi-composant

Low Pressure

Low Temperature

Computational Fluid Dynamic

Direct Numerical Simulation

Analytically Reduced Chemistry

Flame kernel formation

Two-phase flow

Evaporation

Multi-component

Résumé

La capacité de rallumage est un aspect critique de la conception des moteurs aéronautiques et les normes de sureté exigent l'allumage du moteur en conditions de haute altitude (basse pression : P = 0.3 bar et basse température : T = 233 K ). Ainsi, l'influence des conditions de basse pression et de basse temperature doit être mieux comprise. Pour cela, l'effet de ces conditions sur les phenomènes chimiques a tout d'abord été étudié en configurations purement gazeuses. Les résultats ont alors montré que les conditions sub-atmosphériques étaient désavantageuses à cause d'un ralentissement de la réactivité chimique et donc d'une réduction de la puissance dégagée. De plus, des simulations numériques directes ont été réalisées en utilisant une chimie ARC multi-composante ce qui a permis de comparer le développement des noyaux de flamme en fonction des conditions de pression et de température. Les résultats indiquent alors que les noyaux formés en condition de basse pression sont moins robustes aux phénomènes d'extinctions. D'autre part, l'influence des conditions de haute altitude sur le diphasique a aussi été évaluée. Premièrement, au niveau de l'injection de carburant, les données expérimentales disponibles ont montré que les basses pressions réduisent les processus d'atomisation ce qui conduit à la formation d'un spray composé de gouttes plus larges et moins nombreuses. Des simulations d'allumage diphasique ont alors été réalisées en prenant en compte la modification de la distribution de goutte induite par les conditions de haute altitude. Un changement complet du régime de combustion a alors été observé par rapport au cas gazeux. Pour finir, ce travail a permis de développer de nouvelles méthodes numériques qui ont pu être utilisées pour simuler l'allumage en condition réaliste de haute altitude dans le banc MERCATO. Ce calcul a mis en évidence le rôle critique des phénomènes diphasiques dans la formation et le développement du noyau. De plus, l'effet néfaste des basses pressions et des basses températures sur l'allumage a été retrouvé

The relight capability is a critical aspect of the aeronautical engine design and safety standards require the ignition of the engine under high altitude conditions (low pressure: P = 0.3 bar and low temperature: T = 233 K). Therefore the influence of low pressure and low temperature conditions on the ignition processes must be better understood. For this purpose, the effect of these conditions on the chemical phenomena has been first evaluated with purely gaseous configurations. The results have shown the detrimental effect of sub-atmospheric conditions via a slowing down of the chemical reactivity and thus a reduction of the power released. In addition, direct numerical simulations performed using a multi-component ARC chemistry enable to compare the kernel developments depending on the pressure and temperature conditions and indicate that low pressure kernels are less robust to extinction phenomena. On the other hand, the influences of high altitude conditions on the two-phase flow have also been evaluated. Firstly, at the fuel injection, the available experimental measurements have shown that low pressure reduces the atomization phenomenon resulting in a spray with larger and fewer droplets. Two-phase ignition simulations have thus been performed taking into account the different droplet distribution due to the high altitude conditions. A complete modification of the combustion regime has then been observed compared to the gaseous case. Finally, this work enables to develop new numerical methods which have been used to simulate the ignition under realistic high altitude conditions in the MERCATO configuration. This computation highlighted the critical role of the two-phase phenomena in the formation and development of the kernel. Furthermore, the detrimental effect of low pressure and low temperature on the ignition has been recovered once again.