Prédiction numérique de la production des oxides nitreux dans les flammes turbulentes et diphasique via simulation aux grandes échelles

Numerical prediction of nitric oxide formation in turbulent spray flames using Large Eddy Simulation

• Auteur / Autrice : Thomas Naess
• Direction : Jean-Christophe Jouhaud, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance le 31/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• 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 : Frédéric Grisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Jouhaud, Frédéric Grisch, Nathalie Lamoureux, Bénédicte Cuenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ronan Vicquelin, Alessandro Stagni
• DOI : 10.70675/e2077dc5z0b9fz409czb500zfbd48ac639d3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes d'azote

Aéronautique -- Recherche

Mots clés libres

NOx

Simulations aux Grandes Echelles

Polluants

CFD

Chimie réduite

NOx

Large Eddy Simulation

Polluants

CFD

Reduced Chemistry

Résumé

Les émissions de polluants, en particulier les oxydes d'azote (NOx), constituent un défi majeur pour l'industrie aéronautique en raison de leurs impacts sur l'environnement et la santé publique. Les réglementations de plus en plus strictes sur ces émissions nécessitent de nouvelles approches de conception. Dans ce contexte, la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) joue un rôle crucial dans la prédiction des NOx. Elle a démontré sa prédictivité dans le cadre de la combustion turbulente diphasique, mais nécessite une validation plus approfondie pour la simulation quantitative des NOx. Ces travaux s'intéressent donc à la prédiction des NOx dans des configurations académiques et industrielles. Dans un premier temps, la cinétique des NOx est étudiée afin d'en comprendre la phénoménologie et d’identifier les incertitudes actuelles, notamment pour des hydrocarbures lourds.Ensuite, les chimies détaillées sont réduites analytiquement (ARC) afin de décrire fidèlement le système chimique tout en réduisant le nombre d'espèces transportées. La prédiction des propriétés de flamme et de polluants des schémas ARCs est évaluée sur des cas laminaires canoniques représentatifs. La configuration académique du CRSB, turbulente et diphasique, est ensuite simulée avec une SGE haute-fidélité. Malgré une prédiction satisfaisante des propriétés de spray et de flamme, la comparaison au sein même de la flamme montre des disparités pour le NO. L’analyse des résultats a démontré l’importance et la finesse des chemins de contribution du NO nécessaires à sa bonne prédiction.Enfin, une méthodologie hybride moins coûteuse utilisant des schémas globaux (GRC) et des NOx tabulés (NOMAGT) est comparé à une chimie ARC dans une SGE de chambre de combustion aéronautique. Les résultats ont prouvé la capacité de l’approche NOMAGT à reproduire à moindre coût de manière satisfaisante les niveau de NO de l’ARC.

Pollutant emissions, particularly nitrogen oxides (NOx), pose a major challenge for the aerospace industry due to their environmental and public health impacts. Stricter regulations on these emissions demand new design approaches. In this context, Large Eddy Simulation (LES) plays a crucial role in predicting NOx and has demonstrated its predictive capabilities in turbulent spray flames. However, further validation is required to achieve quantitative and accurate NOx predictions. This study focuses on predicting NOx in both academic and industrial configurations.First, NOx kinetics are analyzed to understand the underlying phenomena and identify uncertainties, particularly in the context of heavy hydrocarbons.Next, detailed chemical models are reduced yielding Analytically Reduced Chemistries (ARCs) to accurately describe the chemical behavior while minimizing the number of transported species. The flame characteristics and pollutant properties predicted with ARCs are evaluated in representative laminar cases. The academic CRSB configuration, a stabilized turbulent spray, is then simulated with high-fidelity LES. While spray and flame properties are well predicted, discrepancies in NO prediction arise within the flame. The analysis highlights the importance and subtlety of NO formation pathways for accurate prediction.Finally, a cost-effective hybrid methodology using Globally Reduced Chemistry and tabulated NOx (NOMAGT) is compared to ARC predictions in the LES of an aeronautical combustion chamber. The NOMAGT approach successfully reproduced ARC NO levels.