Contribution à l'étude numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés par un élargissement brusque symétrique

par Bernardo Martinez Ramirez

Thèse de doctorat en Énergie, thermique, combustion

Sous la direction de Pascal Bruel.

Soutenue en 2005

à Poitiers .


  • Résumé

    Ce travail est consacré à la simulation numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés en aval d'un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés d'air ou air+propane. L'objectif est, d'une part, de tester sur une géométrie "simple", une modélisation de la combustion en écoulements turbulents et en régime de prémélange et, d'autre part, d'estimer le niveau de précision obtenue afin de pouvoir quantifier une éventuelle amélioration liée à l'utilisation de modèles plus sophistiqués. Le modèle de turbulence k-ε sous sa forme standard avec la loi de paroi, et le modèle de combustion du type PDF présumé, modèle CLE, ont été retenus pour nos simulations. Une étude préliminaire du type KPP nous a permis de déduire les caractéristiques propagatives des zones de réactions moyennes à richesse constante, calculées sur la base du modèle de combustion retenu. Dans ce travail, ont été simulés : trois écoulements inertes et trois écoulements réactifs à richesse constante pour nombres de Reynolds égaux à 25000, 50000 et 75000 et deux écoulements réactifs à richesse variable pour nombre de Reynolds 25000. Concernant les écoulements inertes, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement des deux zones de recirculation moyennes. Pour les écoulements réactifs à richesse constante, on retrouve également la resymétrisation de l'écoulement moyen observée expérimentalement. En revanche, la longueur des zones de recirculation moyenne est fortement sous-estimée par le calcul. Un comportement auto-semblable dans la zone proche de l'élargissement est également retrouvé. Pour les écoulements à richesse variable, la perte de symétrie de l'écoulement moyen est bien retrouvée, mais les longueurs des zones de recirculation moyennes sont toujours sous-estimées par le calcul. Des indicateurs quantitatifs d'écart entre les résultats numériques et expérimentaux sont fournis pour les écoulements inertes et réactifs considérés, permettant à l'avenir, d'estimer le gain apporté par le recours à des simulations basées sur une évolution ou sur une amélioration de modèles physiques retenus de le cadre de cette étude.

  • Titre traduit

    Contribution to the numerical study of the inert and reactive flows stabilized by a symmetrical sudden expansion


  • Résumé

    This work is aimed at simulating the inert and reactive flows stabilized by a symmetrical sudden expansion and fed by two fully developed turbulent channel flows of air or air+propane. The objectives are, on one hand, to validate on a “simple” geometry, a rather standard modelling of turbulent premixed combustion and, on the other hand, to estimate the level of accuracy obtained in order to be able to quantify the potential improvement that could be brought by the use of more sophisticated models. The models used for our simulations were a standard k-ε turbulence model with the law of the wall, and the CLE model (presumed PDF approach) of turbulent combustion. A preliminary study of KPP type enabled us to deduce the basic propagation properties of the mean reaction zones calculated on the basis of the retained turbulent combustion model. Three inert flows and three reactive flows with constant equivalence ratio and Reynolds numbers equal to 25,000, 50,000 and 75,000 are simulated along with two reactive flows with variable equivalence ratio and a Reynolds number equal to 25,000. Concerning the inert flows, the dissymmetry observed in the experiments between the two average zones of recirculation is well represented. For the reactive flows with constant equivalence ratio, the symmetry of the mean flow observed experimentally is also correctly predicted by the simulations. In return, the length of the two mean recirculation zones is strongly underestimated by the calculations. A self-similar behavior of the flows (wake and shear layers) close to the expansion is also evidenced. The loss of symmetry of the mean flow observed experimentally when an equivalence ratio difference is present between the two feeding streams is qualitatively recovered numerically, but the length of the mean recirculation zones are still underestimated by the calculations. Quantitative indicators of the difference between the numerical and experimental results are provided for the inert and reactive flows, giving the opportunity to assess, in the future, the improvement brought by the recourse to a more elaborated modelling of this kind of flows.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 87 réf.

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  • Cote : 05/POIT/2351-B

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