Simulation aux grandes échelles de la combustion à volume constant : modélisation numérique des flammes turbulentes en expansion dans les mélanges non homogènes

Large Eddy Simulation of Constant Volume Combustion : numerical modeling for turbulent propagating flames in non-homogeneous mixtures

• Auteur / Autrice : Nicola Detomaso
• Direction : Florent Duchaine, Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 18/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bellenoue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Duchaine, Thierry Poinsot, Marc Bellenoue, Karine Truffin, Antonio Andreini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bellenoue, Denis Veynante

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Moteurs thermiques

Mots clés libres

CVC

Combustion

LES

TFLES

Flammes étirées

Allumage

CVC

Combustion

LES

TFLES

Stretched Flames

Ignition

Résumé

Le cycle thermodynamique classique des turbines à gaz n'a subi aucune modification majeure au cours des dernières décennies, et les améliorations d'efficacité les plus importantes ont été obtenues en réduisant les pertes thermiques, en augmentant le taux de compression et la température maximale. Malgré les efforts visant à améliorer les performances des chambres de combustion, les technologies actuelles pourraient ne pas être à la hauteur des contraintes environnementales de plus en plus strictes. Par conséquent, une percée technologique est essentielle pour façonner l'avenir des moteurs thermiques. La combustion à gain de pression (PGC) émerge comme l'une des solutions les plus prometteuses, introduisant de nouveaux cycles thermodynamiques où la pression augmente tout au long du processus de combustion. Cela peut conduire à une augmentation d'entropie plus faible, bénéficiant à l'efficacité globale du cycle.Plusieurs concepts de PGC sont actuellement étudiés par la communauté scientifique, allant de la déflagration, telle que la combustion à volume constant (CVC), à la détonation, notamment la combustion à détonation rotative (RDC). La simulation numérique est utilisée pour évaluer les performances de ces systèmes et pour mieux comprendre leur comportement afin de les améliorer avant de procéder à des essais expérimentaux. La simulation aux grandes échelles (LES) a un rôle important dans ce domaine grâce à sa capacité à prédire fidèlement les écoulements réactifs. Cependant, avec la complexité croissante des systèmes de combustion, des modèles physiques avancés sont cruciaux pour assurer des simulations prédictives.Dans ce travail, la combustion à volume constant est évaluée et les principaux défis numériques posés par ces systèmes de combustion sont examinés. L'allumage, la combustion à haute pression, la dilution, l'interaction flamme-turbulence, les effets d'étirement, les flux de chaleur font partie intégrante de la physique que les systèmes CVC englobent, et leur interaction conduit à des phénomènes physiques complexes qui doivent être modélisés. Les modèles numériques développés dans ce travail sont principalement examinés dans des cas test, puis appliqués dans le calcul de la chambre à volume constant CV2, opérée au laboratoire Pprime (Poitiers, France).D'abord, des nouvelles conditions limites sont dérivées de la théorie des tuyères pour mimer les effets des soupapes d'admission et d'échappement. Les propriétés d'écoulement sont imposées dynamiquement à la fois à l'entrée et à la sortie de ces systèmes contrôlés par des vannes.Une chimie globale pour les mélanges propane/air est dérivée pour différentes pressions, températures et compositions de gaz frais. La cinétique chimique est optimisée pour différentes concentrations de diluants, composés des gaz brûlés tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Comme les moteurs à piston, les chambres CVC fonctionnent cycliquement, et chaque cycle de combustion est influencé par les gaz résiduels provenant des cycles précédents. Pour cette raison, un modèle numérique détaillant la composition locale des mélanges inflammables dilués est proposé pour fournir toutes les informations sur les gaz frais nécessaires à la cinétique et au modèle de combustion. Basé sur une généralisation du Thickened Flame (TF), un nouveau modèle de combustion, le Stretched-Thickened Flame (S-TF) model, est développé pour surmonter les limitations du modèle TF dans la prédiction des effets d'étirement sur la vitesse de combustion des flammes laminaire. Cela est crucial pour capturer efficacement les événements transitoires des flammes propagative, fondamentaux dans les chambres CVC. Enfin, dans le cadre de la modélisation de l'allumage, le modèle de dépôt d'énergie est couplé avec le modèle S-TF.Les modèles développés dans cette thèse sont ensuite appliqués à la chambre CV2, mettant en évidence leur impact positif dans la prédiction de la physique transitoire impliquée dans ces systèmes.

Classical gas turbine thermodynamic cycle has undergone no major changes over the last decades and the most important efficiency improvements have been obtained reducing thermal losses and raising the overall pressure ratio and peak temperature. Despite the efforts in research and development aiming at enhancing especially combustion chambers performances, current technologies may fall short of complying the increasingly stringent environmental constraints. Consequently, a technological breakthrough is essential to shape the future of thermal engines. Pressure Gain Combustion (PGC) emerges as one of the most promising solutions, introducing new thermodynamic cycles where, unlike the Brayton cycle, pressure increases across the combustion process. This can lead to a lower entropy raise, benefiting the overall cycle efficiency.Several PGC concepts are currently studied by the combustion community, ranging from deflagration, such as constant volume combustion (CVC), to detonation, including Rotating Detonation Combustion (RDC) and Pulse Detonation Engine (PDE). Numerical simulation is used to assess the performance of these systems as well as better understand their behavior for improvements before performing experimental tests. Large Eddy Simulation (LES) has assumed an increasingly significant role in combustion science thanks to its high capability in capturing reacting flows. However, with the increasing complexity of combustion systems, advanced physical models are crucial to ensure predictive simulations.In this work, constant volume combustion technology is assessed and the main numerical challenges posed by these combustion systems are scrutinized. Ignition, high pressure combustion, dilution, flame-turbulence interaction, flame-stretch effects, heat fluxes are just part of the physics that CVC systems encompass and their interplay leads to complex physical phenomena that have to be modeled. The numerical models developed in this work are primarily scrutinized in simple test cases and then applied in complete 3D LES framework to compute the constant volume combustion chamber CV2, operated at Pprime laboratory (Poitiers, France).First, novel boundary conditions, based on NSCBC formalism, are derived from nozzle theory to mimic intake and exhaust valve effects. With this strategy no moving part is introduced in the LES and the flow properties are imposed both at the inlet and the outlet of these valves-controlled systems.Second, a two-step chemistry for propane/air mixtures is derived for multiple pressure, temperature and composition of fresh gases. The chemical kinetics is optimized for different concentration of dilutants, composed by burnt products such as carbon dioxide and water vapor. Like piston engines, constant volume chambers operate cyclically and each combustion event is affected by the residual burnt gases coming from previous cycles. For this reason, a numerical model to detail the local composition of diluted flammable mixtures is proposed to provide all the fresh gas information required by the kinetics and the combustion model. Based on a generalization of the classical Thickened Flame (TF) model, a new combustion model, the Stretched-Thickened Flame (S-TF) model, is developed to overcome the TF model limitations in predicting stretch effects on the laminar flame burning velocity. This is crucial to well capture transient events of propagating flames, which are fundamental in CVCs.Eventually, the ignition modeling is assessed and the Energy Deposition model is coupled with the S-TF model by tracking the kernel size in time.The models developed in this thesis are then applied to the CV2 chamber, highlighting their positive impact in capturing the unsteady physics involved in such systems.