Large-Eddy Simulation of constant volume combustion in a ground-breaking new aeronautical engine

par Gorka Exilard

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Olivier Colin.

Le président du jury était Benoît Fiorina.

Le jury était composé de Olivier Colin, Florent Duchaine, Vincent Robin, Denis Veynante, Marc Bellenoue.

Les rapporteurs étaient Florent Duchaine, Vincent Robin.

  • Titre traduit

    Simulation aux Grandes Echelles de la combustion à volume constant dans une architecture de moteur aéronautique en rupture


  • Résumé

    Au cours des dernières années, le transport aérien de passagers connaît un développement sans cesse croissant et continue ainsi d’accroire sa contribution aux émissions mondiale de CO2. Par conséquent, un effort commun entre les avionneurs est fait pour diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Pour encourager cet effort, les réglementations deviennent de plus en plus drastiques en terme d'émissions et de polluants tels que le CO2, les NOx mais aussi le bruit. Ces nouvelles limitations sont à la fois définies à court et moyen-long termes pour inciter les motoristes à travailler sur les technologies de plus en plus efficientes.Pour concevoir des moteurs toujours plus performants tout en respectant ces réglementations à court terme, les motoristes travaillent sur l'optimisation de leurs technologies conventionnelles, en améliorant des leviers bien identifiés comme l'augmentation du taux de compression. Cependant, cette optimisation des turbomachines actuelles a déjà atteint un niveau de maturité très élevé. Il semble ainsi difficile de continuer indéfiniment leurs optimisations. Par conséquent, pour atteindre les objectifs à moyen-long terme, les motoristes sont dès aujourd'hui en train d'étudier des nouveaux systèmes propulsifs avancés comme les chambres de Combustion à Volume Constant (CVC) qui peuvent accroître le rendement thermique. Contrairement aux chambres de combustion traditionnelles, qui fonctionnent à flux continu, les chambres CVC opèrent de façon cyclique afin de créer un volume constant pendant la phase de combustion et libérer les gaz chauds dans les étages de turbines.Pendant cette thèse, une approche numérique permettant d'évaluer ce type de chambres est développée. Tout l'enjeu est de pouvoir étudier des chambre de combustion intégrant des parties mobiles, qui permettent de créer le volume constant dédié à la combustion tout en évitant les fuites à travers ces systèmes mobiles lors de l'élévation de la pression dans la chambre. Cette modélisation doit aussi prédire correctement les phases transitoires comme l'admission des gaz frais, qui pilote la phase de combustion. Cette étude utilise des objets immergés pour modéliser les parties mobiles. Les objectifs de cette thèse sont de rendre ces objets immergés imperméables et adapter la méthode aux différents modèles utilisés pour étudier les milieux réactifs tels que le modèle de combustion ECFM-LES ou encore l'injection liquide Lagrangienne utilisée pour résoudre l'injection du fuel.Dans cette étude, une nouvelle formulation est développée puis testée sur différents cas tests de plus en plus représentatifs des chambres CVC. Cette approche numérique est ensuite évaluée sur une chambre réel étudiée expérimentalement au laboratoire PPRIRME de Poitiers. Dans cette dernière étude, deux cas non réactifs permettent de comparer les évolutions de pression à deux endroits dans la dispositif expérimental, ainsi que les champs de vitesse au sein de la chambre de combustion, aux simulations réalisées. Pour ces cas complexes, l'utilisation des objets immergés permet de prédire les résultats expérimentaux à un coût attractif.Un des cas non réactif est ensuite carburé et allumé pour confronter l'évolution pression et les champs de vitesse dans la chambre de combustion des résultats numériques obtenus aux mesures expérimentales. L'approche numérique développée a permis d’enrichir les données expérimentales, d'analyser les variabilités cycle-à-cycle rencontrées au banc et d'identifier les leviers qui permettraient d'optimiser ce type d’architecture.


  • Résumé

    Over the past few years, aircrafts have become a common means of transport, thus continuously increasing their contribution to global CO2 emissions. Consequently, there is a common effort between aircraft manufacturers to reduce CO2 and pollutant emissions. To encourage this effort, regulations are becoming more and more stringent on the emissions and pollutants like CO2, NOx and noise. These regulations are both defined in the short and medium-long terms to urge aircraft manufacturers to work on more and more efficient technologies.In order to design more efficient engines while respecting the short term objectives, engine manufacturers are working on the improvement of conventional architectures by using well-known levers like the increase of the Overall Pressure Ratio (OPR). However, the optimization of the present turbomachinery has already reached a high level of maturity and it seems difficult to continuously enhance their performances. Consequently, to reach the medium-long term objectives, engine manufacturers are working on new advanced propulsion systems such as the Constant Volume Combustion (CVC) chambers, which can increase the thermal efficiency of the system. Contrary to present turbomachinery which are burning fresh gases continuously, CVC chambers operate cyclically so as to create the constant vessel dedicated to the combustion phase and to expand the burnt gases into turbine stages.In this PhD thesis, a numerical approach is developed to allow the evaluation of these kind of combustors. The challenge is to be able to evaluate CVC chambers by taking into account the moving parts which create the constant volume and avoid mass leakages through these moving parts during the increase of the combustion chamber pressure when the combustion occurs. This approach also has to correctly predict unsteady phases like the intake, which directly controls the combustion process.These moving parts are modeled with a Lagrangian Immersed Boundary (LIB) method .The main goals of this thesis is to make the LIB as airtight as possible and to render this approach compatible with the different models which are adapted to analyse reactive flows such as the ECFM-LES combustion model or Lagrangian liquid injection, used for fuel sprays. In this study, a new formulation is developed and tested on several test cases from very simple ones to cases more representative of CVC chambers.Then, this approach is evaluated on a real chamber experimentally analysed in PPRIME laboratory in Poitiers. Two non-reactive operating points are used to compare the experimental pressure at two positions in the apparatus and the experimental velocity fields in the combustion chamber with the numerical results. In this complex configuration, the LIB method allows the prediction of the experimental results with a low CPU cost. As in the experiment, one non-reactive case is carburized and ignited to compare the measured pressure and the velocity fields in the combustion chamber with the simulations. The proposed numerical approach allows the data enhancement of the experiment and then the analysis of the cycle-to-cycle variability encountered during the experimental measurements. Last but not least, this method enables the identification of the different levers that could decrease the variability and then could improve operability of this type of combustors.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : CentraleSupélec. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.