Modélisation des phénomènes couples combustion-formation des suies-transferts radiatifs dans les chambres de combustion de turbine à gaz

par Luc-Henry Dorey

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Francis Dupoirieux.

Le président du jury était Vincent Giovangigli.

Le jury était composé de Francis Dupoirieux, Pascal Boulet, Bénédicte Cuenot, Denis Veynante, Mickael Gorokhovski.

Les rapporteurs étaient Pascal Boulet, Bénédicte Cuenot.


  • Résumé

    Pour concevoir des foyers aéronautiques plus fiables et moins polluants, les industriels ont de plus en plus recours à des simulations numériques s’appuyant sur de nombreux modèles physiques. Si l’on s’intéresse en particulier aux problématiques des charges thermiques pariétales et des émissions polluantes, la modélisation des phénomènes couplés de combustion, de formation des suies et de transfert radiatif est nécessaire. Ainsi, cette thèse a pour objectif de développer une méthodologie permettant de simuler ces phénomènes couplés de manière instationnaire, dans un foyer représentatif des systèmes industriels. Un modèle de formation des suies simple et robuste, à caractère empirique, a d’abord été mis au point sur une configuration de flamme 1D laminaire prémélangée. Ce modèle a été choisi car, étant compatible avec des mécanismes réactionnels globaux, il est bien adapté aux simulations instationnaires en géométrie complexe. Dans un deuxième temps, il a été appliqué à la simulation instationnaire de l’écoulement turbulent réactif diphasique dans un foyer doté d’un prototype d’injecteur industriel. Les niveaux de température obtenus ainsi que la topologie du champ de fraction volumique de suies ont été comparés aux résultats expérimentaux. Les écarts constatés ont été analysés et des corrections ont été proposées. Enfin, une stratégie de couplage entre l’approche LES (Large Eddy Simulation) et un outil de simulation des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo a été mise au point et éprouvée sur le foyer étudié. L’écoulement apparaît peu affecté par le rayonnement, mais en revanche, les transferts radiatifs ont un impact relativement important sur les flux reçus par les parois

  • Titre traduit

    Modelling of combustion, soot formation and radiative transfer coupled phenomena in gas turbine combustion chambers


  • Résumé

    Numerical simulations, involving numerous physical models, are more and more employed to design more reliable and less pollutant industrial combustors. In particular, focusing on wall thermal load and pollutant emission issues, coupled phenomena such as combustion, soot formation and radiative transfer have to be modelled. Thus, the aim of this PhD thesis is to develop a methodology to simulate these coupled phenomena in an unsteady way, in an industrial-like combustion chamber. A simple and robust empirical soot formation model has been developed and applied in a first step to a 1D laminar premixed flame configuration. This model was chosen because it is well adapted to unsteady simulations in complex geometries, as it is compatible with global reaction mechanisms. In a second step it was applied to the unsteady simulation of the two-phase turbulent reactive flow in a combustor equipped with an industrial injector prototype. Predicted temperature levels and topology of the soot volume fraction field were compared to experimental results. Some discrepancies were observed: they were analysed and corrections were proposed. Finally, a coupling strategy between the LES (Large Eddy Simulation) approach and a radiative transfer simulation tool based on the Monte Carlo method was developed and tested on the same combustor. It appears that radiative transfer does not greatly modify the flow, but has a relatively important effect on wall heat fluxes.


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