Modeling and simulation of two-phase flow turbulent combustion in aeronautical engines

par Bastien Rochette

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Thierry Poinsot et de Olivier Vermorel.

Le président du jury était Frédéric Grisch.

Le jury était composé de Thierry Poinsot, Fabien Halter, Ronan Vicquelin, Denis Veynante, Bénédicte Cuenot.

Les rapporteurs étaient Fabien Halter, Ronan Vicquelin.

  • Titre traduit

    Modélisation et simulation de la combustion diphasique turbulente dans les moteurs aéronautiques.


  • Résumé

    De nos jours, plus de 80% de l'énergie consommée sur Terre provient de la combustion de combustibles fossiles. Des solutions alternatives à la combustion sont en cours de développement mais les contraintes spécifiques liées au transport aérien ne permettent pas actuellement d'alimenter des moteurs sans introduire de rupture technologique. Ces résultats expliquent les activités de recherche visant à améliorer les connaissances et le contrôle des processus de combustion afin de concevoir des moteurs aéronautiques plus propres et plus efficaces. Dans ce cadre, les Simulations aux Grandes Echelles ("Large Eddy Simulation" LES) sont devenues un outil puissant pour mieux comprendre les processus de combustion et les émissions de polluants. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et se focalise sur les modèles et stratégies de calcul afin de simuler avec plus de précision les écoulements réactifs turbulents gazeux et diphasiques dans la chambre de combustion des moteurs aéronautiques. Tout d'abord, une méthode générique et automatique pour la détection et l'épaississement du front de flamme a été développée pour le modèle TFLES, et validée pour plusieurs configurations académiques de complexité croissante. Cette approche générique est ensuite évaluée dans une simulation LES d'un brûleur de laboratoire et comparée à la méthode d'épaississement classique. Les résultats montrent un épaississement plus précis dans les régions post-flammes. Dans un second temps, à partir de l'analyse de flammes laminaires 1D diphasiques homogènes où la phase dispersée a une vitesse relative comparée à la phase porteuse, deux formulations analytiques pour la vitesse de propagation de ces flammes ont été proposées et validées. La concordance entre les vitesses de flammes mesurées et estimées démontre que le modèle et ses paramètres prennent correctement en compte les principaux mécanismes physiques contrôlant ces flammes diphasiques. Enfin, les modèles TFLES les plus récents ont été testés sur des configurations de flamme turbulente gazeuse/diphasique complexes. Les avantages et les inconvénients de ces modèles ont été étudiés afin de contribuer à la compréhension des mécanismes liés à la combustion turbulente et de proposer une stratégie de modélisation par LES pour améliorer la fidélité des simulations réactives


  • Résumé

    Nowadays, more than 80% of the energy consumed on Earth is produced by burning fossil fuels. Alternative solutions to combustion are being developed but the specific constraints related to air transport do not make it possible to currently power engines without introducing a technological breakthrough. These findings explain the research activity to improve the knowledge and the control of combustion processes to design cleaner, and more efficient aeronautical engines. In this framework, Large Eddy Simulations (LES) have become a powerful tool to better understand combustion processes and pollutant emissions. This PhD thesis is part of this context and focuses on the models and numerical strategies to simulate with more accuracy turbulent gaseous and two-phase reacting flows in the combustion chamber of aeronautical engines. First, a generic and self-adapting method for flame front detection and thickening has been developed for the TFLES model, and validated on several academic configurations of increasing complexity. This generic approach is then evaluated in the LES of a laboratory-scale burner and compared to the classical thickening method. Results show a more accurate thickening in post-flame regions. Second, from the analysis of 1-D homogeneous laminar spray flames where the dispersed phase has a relative velocity compared to the carrier phase, two analytical formulations for the spray flame propagation speed have been proposed and validated. The agreement between the overall trend of both the measured/estimated spray flame speeds demonstrates that the model and its parameters correctly take into account the main physical mechanisms controlling laminar spray flames. Finally, the state-of-the-art TFLES models were tested on complex turbulent gaseous and two-phase reacting configurations. The pros and cons of these models were investigated to contribute to the understanding of the mechanisms related to turbulent combustion, and to propose a LES modeling strategy to improve the fidelity of reactive simulations.


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