LES of two-phase reacting flows : stationary and transient operating conditions

par Alexandre Eyssartier

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Laurent Gicquel et de Gabriel Staffelbach.

Soutenue le 05-10-2012

à Toulouse, INPT .

  • Titre traduit

    Simulations aux grandes échelles découlements diphasiques réactifs : régimes stationnaires et transitoires


  • Résumé

    L'allumage et le réallumage de haute altitude présentent de grandes difficultés dans le cadre des chambres de combustion aéronautiques. Le succès d'un allumage dépend de multiples facteurs, des caractéristiques de l'allumeur à la taille des gouttes du spray en passant par le niveau de turbulence au point d'allumage. Déterminer la position optimale de l'allumeur ou le potentiel d'allumage d'une source d'énergie donnée à une position donnée sont ainsi des paramètres essentiels lors du design de chambre de combustion. Le but de ces travaux de thèse est d'étudier l'allumage forcé des chambres de combustion aéronautiques. Pour cela, des Simulation numériques aux Grandes Echelles (SGE) d'écoulements diphasiques réactifs sont utilisées et analysées. Afin de les valider, des données expérimentales issues du banc MERCATO installé à l'ONERA Fauga-Mauzac sont utilisées. Cela permet dans un premier temps de valider la méthodologie ainsi que les modèles utilisés pour les SGE diphasiques évaporantes avant leur utilisation dans d'autres conditions d'écoulement. Le cas diphasique réactif statistiquement stationnaire est ensuite comparé aux données disponibles pour évaluer les modèles en condition réactives. Ce cas est étudié plus en détail à travers l'analyse de caractéristiques de la flamme. Celle-ci semble être le théâtre de régimes de combustion très différents. On note aussi que la détermination de la méthode numérique la plus appropriée pour le calcul d'écoulements diphasiques n'est pas évidente. De plus, deux méthodes numériques différentes peuvent donner des résultats en bon accord avec l'expérience et pourtant avoir des modes de combustion différents. Les capacités de la SGE à correctement calculer un écoulement diphasique réactif étant validé, des SGE du phénomène transitoire d'allumage sont effectuées. La sensibilité observée expérimentalement de l'allumage aux conditions initiales, i.e. à l'instant de claquage, est retrouvé par les SGE. L'analyse met en évidence le rôle prépondérant de la dispersion du spray dans le développement initial du noyau de flamme. L'utilisation des SGE pour calculer les séquences d'allumage fournie de nombreuses informations sur le phénomène d'allumage, cependant d'un point de vue industriel, cela ne donne pas de résultat optimal, à moins de ne tester toutes les positions, ce qui rendrait le coût CPU déraisonnable. Des alternatives sont donc nécessaires et font l'objet de la dernière partie de ces travaux. On propose de dériver un critère local d'allumage, donnant la probabilité d'allumage à partir d'un écoulement diphasique (air et carburant) non réactif instationnaire. Ce modèle est basé sur des critères liés aux différentes phases menant à un allumage réussi, de la formation d'un premier noyau à la propagation de la flamme vers l'injecteur. Enfin, des comparaisons avec des données expérimentales sur des chambres aéronautiques sont présentées et sont en bon accord, indiquant que le critère d'allumage proposé, couplé avec une SGE d'écoulement diphasique non réactif, peut être utilisé pour optimiser la puissance et la position du système d'allumage.


  • Résumé

    Ignition and altitude reignition are critical issues for aeronautical combustion chambers. The success of ignition depends on multiple factors, from the characteristics of the igniter to the spray droplet size or the level of turbulence at the ignition site. Finding the optimal location of the igniter or the potential of ignition success of a given energy source at a given location are therefore parameters of primary importance in the design of combustion chambers. The purpose of this thesis is to study forced ignition of aeronautical combustion chambers. To do so, Large Eddy Simulations (LES) of two-phase reacting flows are performed and analyzed. First, the equations of the Eulerian formalism used to describe the dispersed phase are presented. To validate the successive LES, experimental data from the MERCATO bench installed at ONERA Fauga-Mauzac are used. It allows to validate the two-phase evaporating flow LES methodology and models prior to its use to other flow conditions. The statistically stationary two-phase flow reacting case is then compared to available data to evaluate the model in reacting conditions. This case is more deeply studied through the analysis of the characteristics of the flame. This last one appears to experience very different combustion regimes. It is also seen that the determination of the most appropriate methodology to compute two-phase flow flame is not obvious. Furthermore, two different methodologies may both agree with the data and still have different burning modes. The ability of the LES to correctly compute burning two-phase flow being validated, LES of the transient ignition phenomena are performed. The experimentally observed sensitivity of ignition to initial conditions, i.e. to sparking time, is recovered with LES. The analysis highlights the major role played by the spray dispersion in the development of the initial flame kernel. The use of LES to compute ignition sequences provides a lot of information about the ignition phenomena, however from an industrial point of view, it does not give an optimal result, unless all locations are tested, which brings the CPU cost to unreasonable values. Alternatives are hence needed and are the objective of the last part of this work. It is proposed to derive a local ignition criterion, giving the probability of ignition from the knowledge of the unsteady non-reacting two-phase (air and fuel) flow. This model is based on criteria for the phases of a successful ignition process, from the first kernel formation to the flame propagation towards the injector. Then, comparisons with experimental data on aeronautical chambers are done and show good agreement, indicating that the proposed ignition criterion, coupled to a Large Eddy Simulation of the stationary evaporating two-phase non-reacting flow, can be used to optimize the igniter location and power.


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