Modélisation de la formation et de l'évolution des suies dans les foyers aéronautiques

Modeling of soots formation and evolution in aeronautical burner

• Auteur / Autrice : Alexis Andre
• Direction : Philippe Villedieu, Aymeric Boucher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 23/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Multi-Physique pour l'Energétique - DMPE (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Legros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Villedieu, Aymeric Boucher, Julien Reveillon, Eleonore Riber, Jérôme Yon, Alexis Matynia, Nicolas Bertier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Legros, Julien Reveillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lagrange, Spectre de

Composés aromatiques polycycliques

Modélisation CFD

Suie

Combustion

Mots clés libres

Combustion

Suies

Cfd

Pah

Lagragian Soot Tracking

Méthode sectionnelle

Combustion

Soots

Cfd

Pah

Lagragian Soot Tracking

Sectional method

Résumé

Dans un contexte de réduction de l’empreinte environnementale du trafic aérien, un intérêt particulierest porté aux suies en raison de leurs effets néfastes sur la santé humaine et l’environnement. De plus,l’intensification des transferts radiatifs qu’elles engendrent dans la chambre modifie la charge thermiqueaux parois ainsi que la formation de Nox. Pour ces raisons, des réglementations de plus en plus restrictives sont imposées à leur encontre. Il devient alors essentiel d’être capable de proposer des modèles numériques fiables, décrivant la formation et l’évolution de ces particules. Une stratégie de modélisation, utilisant une cinétique squelettique, une modélisation sectionnelle des PAHs ainsi qu’une modélisation Lagragian Soot Tracking (LST) permettant un suivi lagrangien des suies le long de leur trajectoire, a déjà été utilisée avec succès avec le code CEDRE sur la configuration C2H4/air de complexité aéronautique FIRST. Ce travail de thèse consiste à améliorer cette stratégie de modélisation puis de l’étendre afin de permettre la simulation de configurations kérosène/air, représentatives de chambres de combustion réelles. Tout d’abord, une évaluation de la stratégie de modélisation initiale est effectuée sur 17 flammes prémélangées laminaires 1D C2H4/air. Cette dernière nous conduira à réduire une nouvelle cinétique squelettique et à modifier le modèle sectionnel de PAH afin de pouvoir prédire correctement la fraction volumique de suies sur l’ensemble des flammes étudiées. Cette évaluation aura en particulier permis de mettre en évidence la nécessité de tester une modélisation sur un nombre de flammes conséquents. Ensuite, un modèle d’agrégation prenant en compte la morphologie fractale des suies est implémenté afin d’améliorer la modélisation de la distribution en taille des suies. Puis, en raison de la difficulté d’adapter la méthode sectionnelle de PAH à une cinétique pour le kérosène, l’utilisation d’une nouvelle cinétique et d’une méthode alternative de dimérisation sont proposées et validées avec succès sur les différentes flammes 1D. Enfin, la configuration FIRST est simulée avec ces deux alternatives afin de vérifier la bonne prédiction des niveaux de suies sur ce cas. Notre stratégie de modélisation possède alors tous les éléments nécessaires à la simulation de configurations de kérosène.

In a context of reduction of the air traffic environmental footprint, a particular interest is given to soots due to their harmful effects on human health and on the environment. In addition, the intensification of radiative transfers that they generate, modifies the thermal load on the walls as well as the formation of Nox. For these reasons, more and more restrictive regulations are imposed on them. It thus becomes essential to be able to propose reliable numerical models, describing the formation and evolution of these particles. A modeling strategy, using a skeletal kinetics, a sectional modeling of PAHs and Lagragian Soot Tracking method allowing a Lagrangian tracking of soots along their trajectory, has already been successfully used on the C2H4/air configuration of aeronautical complexity FIRST. The work of this thesis consists in improving this modeling strategy and extending it to allow the simulation of kerosene/air configurations, representative of real combustion chambers. First of all, an evaluation of the initial modeling strategy is performed on 17 laminar premixed 1D C2H4/air flames. The latter will lead us to reduce a new skeletal kinetics and to modify the sectional model of PAH in order to be able to correctly predict the soot volume fraction on all the studied flames. In particular,this evaluation will have allowed to highlight the necessity to test a model on a significant number of flames. Then, an aggregation model taking into account the fractal morphology of soots is implemented in order to improve the modeling of the size distribution of soots. Afterwards, due to the difficulty of adapting the PAH sectional method to a kinetics for kerosene, the use of a new kinetics and an alternative dimerization method are proposed and successfully validated on the different 1D flames. Finally, the FIRST configuration is simulated with these two alternatives to verify the good prediction of the soot levels on this case. Our modeling strategy has then all the necessary elements for the simulation of kerosene configurations.