Simulation numérique et analyse du rayonnement thermique dans les flammes suitées : impact de la description des propriétés radiatives

Numerical simulation and thermal radiation analysis in sooted flames : impact of radiative properties description

• Auteur / Autrice : Kévin Torres
• Direction : Olivier Gicquel, Ronan Vicquelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 05/07/2021
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Enguehard, Jean-Louis Consalvi, Guillaume Legros, Jérôme Yon, Francis Dupoirieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Enguehard, Jean-Louis Consalvi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Rayonnement thermique

Suie

Mots clés libres

Combustion

Suies

Turbulence

Rayonnement

Modélisation

Transferts thermiques

Combustion

Soot

Turbulence

Radiation

Modeling

Thermal transfer

Résumé

Le rayonnement thermique lié aux particules de suies est un phénomène physique à modéliser dans les simulations numériques. En effet, le rayonnement dépend -entre autres- fortement de la taille des particules de suies, de leur morphologie, de leurs propriétés optiques. Dans la littérature, l'étude du rayonnement thermique des flammes suitées se base sur l'hypothèse de particules sphériques, bien qu'il soit aujourd'hui largement reconnu que les suies forment en réalité des agrégats complexes. Ce travail de thèse propose de considérer les suies comme de tels agrégats et d'analyser l'impact de modèles de rayonnement avancés (tel que le modèle RDGFA) sur différentes configurations. Ces modèles de rayonnement avancés sont intégrés dans un code précis basé sur une méthode Monte-Carlo permettant de résoudre l'équation de transfert radiatif et d'accéder aux quantités clés du rayonnement thermique. Des stratégies de calculs sont développées afin de réduire le coût de calcul associé aux méthodes Monte-Carlo tout en garantissant une grande précision.Elles sont appliquées sur deux configurations turbulentes complexes : une flamme jet éthylène-air de diffusion, et une flame swirlée non-prémélangée d'éthylène-air. Le modèle de rayonnement de suies RDGFA utilisé pour les flammes turbulentes est ensuite confronté à des données expérimentales obtenues sur des flammes laminaires afin de valider sa précision. Un calcul multi-physique couplé est réalisé sur la flamme laminaire éthylène-air de Santoro. Ce calcul couplé prend en compte à la fois la dynamique des suies, le rayonnement des particules, et le préchauffage de l'éthylène par les parois chaudes du brûleur sur laquelle la flamme est attachée. L'analyse du rayonnement thermique montre la capacité du modèle de rayonnement RDGFA à reproduire des données expérimentales avec fidélité. Enfin, une application basée sur la synthétisation de signaux liés à la diffusion des particules de suies appliquée aux diagnostics expérimentaux sur la flamme de Santoro est proposée.

Modelling soot radiation in CFD simulations is a challenging task as it strongly depends on particle size, morphology and optical properties. In the literature, all the studies related to thermal radiation in sooty flames are considering soot as spherical particles, although it is well admitted that they are clustering into complex aggregates. In this PhD work, an aggregate morphology for soot particles is considered and the impact of advanced soot radiative models (such as RDGFA) is assessed on several configurations. These models are implemented in an accurate code based on a Monte-Carlo approach, which solves the radiative transfer equation to retrieve key thermal radiation quantities. Numerical strategies are developed to reduce the computational cost due to the Monte-Carlo method while preserving a high accuracy. These strategies are applied on two turbulent flames: a diffusion coflow ethylene-air jet-flame and a swirled non-premixed ethylene-air flame.The radiative model RDGFA is then compared with experimental data obtained on laminar flames to assess its accuracy. A multi-physics coupled calculation is performed on the diffusion laminar ethylene-air Santoro's flame. This coupled approach accounts for soot dynamics, radiation, and ethylene pre-heating due to the hot burner walls. The thermal radiation analysis demonstrates the capability of the RDGFA model to retrieve experimental data with a good accuracy. Finally, an application of based on the numerical synthetization of laser scattering signals due to soot particles is proposed and applied on Santoro's flame.