Modélisation hybride de la chimie pour la simulation numérique de la combustion

par Bastien Duboc

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Pascale Domingo et de Guillaume Ribert.

Soutenue le 30-11-2017

à Normandie , dans le cadre de École doctorale physique, sciences de l’Ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées (Rouen Normandie) (établissement de préparation) et de COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie (UMR 6614) (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédérique Battin-Leclerc.

Le jury était composé de Pascale Domingo, Guillaume Ribert, Guillaume Dayma, Perrine Pepiot, Ronan Vicquelin.

Les rapporteurs étaient Guillaume Dayma, Amsini Sadiki.

mots clés

• Chimie détaillée
• Chimie tabulée
• Modélisation hybride de la chimie
• Flammes triples
• Combustion -- Simulation par ordinateur
• Composés complexes
• Simulation par calculateur hybride
• Modélisation CFD -- Chimie
• Flamme -- Simulation, Méthodes de
• Simulation des grandes échelles
• Cinétique chimique

Résumé

Malgré l'augmentation constante des ressources informatiques dédiées au calcul scientifique, simuler des écoulements réactifs mettant en jeu une chimie complexe reste aujourd'hui encore un véritable challenge. L'objectif de cette thèse est le développement de la méthode Hybrid Transported-Tabulated Chemistry (HTTC), destinée aux simulations DNS/LES de flammes avec des mécanismes cinétiques détaillés, en offrant un temps de calcul acceptable. Cette nouvelle approche consiste à transporter les espèces majoritaires de l'écoulement, tandis que les espèces minoritaires sont extraites d'une table chimique. La méthode HTTC a été implémentée dans un code DNS/LES et validée sur des flammes 1D de méthane et de kérosène, mettant en évidence une réduction extrêmement importante du temps de calcul, comparé aux solveurs classiques de chimie détaillée. HTTC a ensuite été mis en œuvre avec succès sur des flammes triples de méthane en présence de forts gradients de fraction de mélange. L'impact des méthodes choisies pour prolonger la table chimique et pour calculer les variables de contrôle, utilisées pour paramétrer la table, a été étudiée avec une attention particulière. Un très bon accord a été trouvé avec les résultats de référence, obtenus avec un solveur de chimie détaillée.

mots clés

• Numerical simulation of combustion
• Detailed chemistry
• Tabulated chemistry
• Hybrid modeling of chemistry
• Edge flames

Titre traduit

Hybrid transported-tabulated chemistry for numerical simulation of combustion

Résumé

Even if significant progress is being made to improve the power of high-performance computers, the numerical simulation of reactive flows involving complex chemistry is still a challenging task. The objective of this work is the development of the Hybrid Transported-Tabulated Chemistry method (HTTC), designed for the DNS/LES simulations of flames with detailed kinetic mechanisms, with an acceptable cost. This novel approach combines the transport of the main species in the flow with the tabulation of the radical species. It has been implemented in a DNS/LES code and validated on 1D methane and kerosene flames. The cost of the simulations has been considerably decreased, compared to classic detailed chemistry solvers. Then, simulations of methane edge flames, featuring large gradients of mixture fraction, have been performed with HTTC. In particular, the impact of the methods used to extend the chemical tables and to compute the control variables have been analyzed in details. A very good agreement has been found by comparison with detailed chemistry.