Modélisation et simulation numérique de la combustion en présence d’interactions flammes/auto-inflammation

Modeling and Numerical Simulation of Combustion in the Presence of the Interaction between Flame and Self-Ignition

• Auteur / Autrice : Xiaodong Wang
• Direction : Vincent Robin, Arnaud Mura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 09/01/2020
• 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 / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Fabien Halter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Domingo, Julien Sotton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Demoulin, Francesco Contino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Simulation par ordinateur

Flamme

Combustion spontanée

Chambres de combustion

Mots clés libres

Flammmes non-prémélangées

Temps de résidence

Non-premixed flames

Residence time

Résumé

Cette thèse de doctorat est consacrée à la modélisation des écoulements turbulents réactifs dans des cas où les niveaux de température peuvent conduire à l'auto-allumage du mélange. La stratégie de modélisation proposée consiste à traiter séparément les différents mécanismes physiques les plus importants : mélange des espèces chimiques, propagation de fronts de flammes et auto-inflammation. Ainsi, des méthodes simples, dérivées de modèles connus en combustion turbulente non-prémélangée et prémélangée (méthodes de tabulation, PDF présumée) sont utilisées pour représenter les mécanismes de mélange des espèces et de propagation des fronts. Des développements spécifiques sont apportés pour que ces modèles soient toujours valides en présence d'auto-allumage. Les paramètres de modélisation introduits sont clairement identifiés et la sensibilité des résultats numériques à leurs valeurs est étudiée en détail. Le développement le plus important de ce travail concerne la méthode basée sur l'utilisation d'un temps de résidence pour modéliser l'auto-allumage du mélange. Comme la comparaison directe du temps de résidence au délai d'auto-allumage n'a plus de signification physique dès lors que la composition et la température évoluent avant l'auto-inflammation, un temps de résidence normalisé est introduit. Cette quantité peut aussi être présentée comme l'âge relatif des particules qui vieillissent différemment selon les caractéristiques du mélange local. L'équation bilan correspondante est dérivée soit de celle pour le temps de résidence soit par analogie avec l'équation G décrivant la propagation d'un front de flamme. Dans ce dernier cas, le temps de résidence est considéré comme une fonction "level-set" adaptée au suivi de fronts d'auto-inflammation. L'utilisation de ce temps normalisé permet aussi de traiter la difficulté liée aux conditions limites de temps de résidence. Le modèle proposé est d'abord utilisé pour simuler une flamme turbulente non-prémélangée de type JHC (Jet-in-Hot-Coflow) en RANS avec le logiciel de calcul numérique Code-Saturne (Bas Mach). Les résultats numériques sont validés pour deux conditions expérimentales différentes. Le modèle est ensuite validé par des calculs DNS de couche de mélange 1D soumise à l'auto-inflammation. Enfin, des simulations numériques préliminaires d'une configuration expérimentale récente disponible au laboratoire (Constant Volume Vessel) sont réalisées pour évaluer la faisabilité de l'extension du modèle en LES compressible avec OpenFOAM.

The present study is devoted to the modelling of turbulent reactive flows in cases where the temperature levels can lead to the self-ignition of the mixture. The proposed modelling strategy consists of treating separately the most important physical mechanisms : scalar mixing, flame propagation and self-ignition. Thus, simple methods derived from known models in non-premixed and premixed turbulent combustion(tabulation methods, presumed PDF) are used to represent the mixing mechanism of species and flame propagation. The most important development of this work concerns the method based on the use of a residence time to model the self-ignitionof the mixture. Since the direct comparison of the residence time with the self-ignition delay has no physical meaning as long as the composition and the temperature change before the self-ignition, a normalised residence time is introduced. This quantity can also be presented as the relative age of particles that age differently depending on the characteristics of the local mixture. The use of this normalised time also makes it possible to deal with the difficulty related to the boundary conditions of residence time. The proposed model is first used to simulate a non-premixed JHC(Jet-in-Hot-Coflow) turbulent flame in RANS with numerical computation softwareCode-Saturne(low Mach). This model is then validated by DNS calculations of 1D mixing layer subjected to self-ignition. Finally, preliminary numerical simulations of a recent experimental configuration available in the laboratory(Constant Volume Vessel) are carried out to evaluate the feasibility of extending the compressible LES model by using OpenFOAM.