Contribution à la modélisation et à la simulation numérique de la combustion turbulente pré-mélangée dans des régimes d'interaction chimie-turbulence extrêmes : Prise en compte des écarts à l'hypothèse de flamme mince

Contribution to the Modeling and Numerical Simulation of Turbulence-Chemistry Interactions in Premixed Combustion : Departures From the Thin-Flame Limit

• Auteur / Autrice : Kim Quoc Nguyen Kha
• Direction : Arnaud Mura, Vincent Robin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 10/11/2016
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Haldenwang, Vladimir Sabel'Nikov, Dany Escudié, Céline Morin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ribert, Fabien Halter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Théorie du transport

Kolmogorov, Équation de

Mélanges (chimie)

Combustion

Cinétique chimique

Reynolds, Nombre de

Flamme

Turbulence

Écoulement laminaire

Mots clés libres

Propagation

Interaction chimie-turbulence

Propagation

Chemics-turbulence interaction

Résumé

Cette thèse de doctorat est consacrée à la modélisation des écoulements turbulents réactifs pré-mélangées. Une analyse des flammes monodimensionnelles est tout d'abord conduite pour examiner les caractéristiques propagatives du front de flamme analytiquement et numériquement. Nous introduisons ensuite, dans le régime des flammes plissées(flammelettes), une nouvelle définition de l'épaisseur de flamme qui peut être différente de l'épaisseur caractéristique de la flamme laminaire. Une forme généralisée de la fonction de densité probabilité (PDF) présumée est alors proposée pour tenir compte des écarts possibles avec la limite de flamme mince. Les paramètres qui caractérisent la forme de cette PDF dépendent du rapport de l'échelle de longueur de Kolmogorov à l'épaisseur dela flamme laminaire. Le cadre de travail correspondant peut être associé à une description de type couche limite appliquée à la flamme turbulente pour laquelle les épaisseurs des différentes sous-couches sont déterminées à partir de la seule connaissance des nombres de Reynolds turbulent Re, et de Karlovitz Ka. Cette description conduit à une proposition de modélisation (i) pour le taux de conversion des réactifs en produits ainsi que (ii) pour le flux turbulent scalaire. Les valeurs des caractéristiques chimiques s'appuient sur des calculs de flammes monodimensionnelles utilisant le logiciel Mathematica TM ou reposant sur l'emploi d'une description détaillée de la cinétique chimique.Les modèles proposés ici sont finalement implantés dans le logiciel de calcul numérique Code-Saturne et validés sur des configurations expérimentales de référence : flammes en V turbulentes et flamme stabilisée dans un écoulement divergent. Les simulations numériques de ces deux configurations conduisent à des résultats satisfaisants.

The present study is devoted to the modeling of turbulent reactive flows. In a first step of the analysis, one-dimensional flames are considered to scrutinize analytically and numerically the characteristics of the propagating flame front. Then, we introduce a new definition for the flamelet thickness that may differ from the laminar flame thickness. Accordingly a generalized and consistent form of the presumed probability density function(PDF) is proposed. The parameters of this PDF depend on the ratio of the Kolmo-gorov length scale to laminar flame thickness. The corresponding developments can be associated with a boundary layer description applied to the turbulent flame in which the thicknesses of the different sub-layers are determined from the sole knowledge of the turbulent Reynolds number Re and Karlovitz number Ka. This description leads to amodeling proposal (i) for the mean reaction rate as well as (ii) for the turbulent scalar flux. The values of all chemical characteristics are calculated from one-dimensional flame susing either the MathematicaTM software or detailed chemical kinetics computations.Numerical simulations are finally performed with the CFD code Code-Saturne and the model is validated through comparisons with reference experimental configurations :turbulent V-shaped flames and impinging flames. Satisfactory results are obtained for these two distinct configurations.