Etude expérimentale et numérique d'un jet coaxial rectangulaire

Experimental and numerical study of a coaxial rectangular jet

• Auteur / Autrice : Jimmy Sapède
• Direction : Bernard Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement -- Visualisation

Simulation, Méthodes de

Anémomètres

Transfert de masse

Mélange

Turbulence

Jets

Mots clés libres

Jet coaxial

Résumé

Inscrit dans un projet de modélisation de la combustion du charbon pulvérisé dans les grands foyers à chauffe tangentielle réalisé en partenariat avec l'ADEME et la société ALSTOM Power, ce travail se focalise sur la connaissance des caractéristiques dynamiques de l'écoulement se développant dans de tels foyers. En particulier, les conditions initiales de l'écoulement définies par les brûleurs, jouent un rôle prépondérant. Un brûleur matérialisé par un jet complexe, est étudié de façon expérimentale et numérique. La revue bibliographique s'attache au détail de plusieurs caractéristiques propres à cette étude comme l'aspect coaxial, l'influence de l'introduction d'un gradient de masse volumique sur la redistribution du champ de vitesse ainsi que l'effet d'une géométrie rectangulaire sur le développement d'un jet libre. L'étude se focalise ensuite sur un fonctionnement en régime coaxial. Les mesures mettent en évidence des propriétés communes avec les jets coaxiaux circulaires comme l'existence d'un régime recirculant auto-entretenu. L'effet de la géométrie se manifeste tout particulièrement au travers de la morphologie de la région potentielle du jet. En complément, une étude numérique est réalisée à l'aide du code de calcul Fluent qui montre les limites de la modélisation employant des modèles de type moyenne de Reynolds classiques. Enfin, deux régimes spéciaux issus de l'industrie caractérisés par la mise en service de tous les injecteurs et pour un, par l'injection de dioxyde de carbone dans la partie centrale du jet, sont ensuite étudiés. Les données expérimentales en régime hétérogène ont été obtenues par l'emploi d'une sonde thermo-anémométrique spéciale. L'influence du gradient de masse volumique ainsi que la redistribution de masse volumique dans les couches de mélange sont analysées à l'aide de cet instrument. Enfin, une campagne de simulations numériques employant une modélisation aux grandes échelles est réalisée à partir de ces deux écoulements. Les résultats issus de ces simulations s'accordent correctement aux mesures. La validation de cette procédure de calcul permet d'exploiter les SGE pour analyser les propriétés de mélange et de transfert de masse dans le jet.

Within a tangetially fired coal combution boilers modelisation project conducted in association with ADEME and ALSTOM Power, this work focuses on the dynamic characteristics of the flow inside the boilers. Initial conditions of the flow, are set by the burners. One burner is scaled down and experimentally and numerically studied. The bibliography focuses on particularities such as the coaxial aspect, the rectangular geometry and the influence of density variations onver the jet spreading. First part of the study deals with the coaxial regimes. Similarities with rectangular coaxial jets such as the auto-oscillating regime are pointed out experimentally. The influence of the geometry on the potential core morphology is also highlighted. In addition, a numerical study is lead with the Fluent CFD code using Reynolds averaged classical models. Then two specific regimes, issued from the industry are studied. Both uses four jets and one also involves a density gradient in the central part of the jet. Experimental evidences of the influence of the density gradient on the flowfield are obtained with a specially designed double howires probe. Finally a numerical simulation campaign is conducted using Large Eddy Simulations models. Good agreement with experimental data is found and LES results aare exploited to further explore the mixing ans the mass transfert properties of the jet.