Modélisation système des turbomachines : modélisation de l'impact du mélange et de la dilution sur la combustion et la formation des émissions de polluants

par Antoine De Kerautem

Projet de thèse en Combustion

Sous la direction de Olivier Colin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec IFPEN / Mobilité et Systèmes (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 12-10-2015 .


  • Résumé

    Le contexte actuel aéronautique vise à réduire drastiquement la consommation et les émissions polluantes (objectifs ACARE 2020 et 2050). Ces cibles ambitieuses sont envisagées au travers de l'optimisation des technologies actuelles mais aussi de l'émergence de technologies en rupture augmentant généralement en complexité. Il apparaît donc primordial d'augmenter le dynamisme et la flexibilité des phases de conception des turbomachines. La simulation numérique grâce à son coût modéré, son efficacité et ses capacités de capitalisation de connaissances offre la possibilité d'interactions de plus en plus poussées entre les différents métiers; en particulier la simulation système (SS) se distingue pour sa capacité à traiter des problématiques multi-physiques complexes, qui apparaissent à l'interface entre disciplines. L'état de l'art en SS pour les turbomachines aéronautiques repose principalement sur l'utilisation de modèles simplifiés pour les phénomènes de combustion et polluants. IFPEN, afin d'anticiper l'évolution des approches de conception, a développé une approche phénoménologique de modélisation 0D de la combustion, visant à prendre en compte la dynamique de combustion due aux aspects transitoires de fonctionnement. Cette modélisation intègre un maximum de phénomènes structurants de la flamme, issus de notre expérience en simulation LES, outil numérique de référence dans le secteur. Néanmoins, certains aspects comme la description globale de la composition du mélange et du champ de température dans la chambre ne permettent pas de décrire assez précisément la thermochimie de la flamme dans l'espace, particulièrement pour les architectures industrielles complexes. Cette thèse a pour objectifs d'étudier et de modéliser les phénomènes de mélange et de dilution dans les turbomachines. Pour cela, une description de la physique de combustion sera réalisée à partir de simulations 3D afin d'être introduite dans le modèle pour mieux prendre en compte les les multiples processus de combustion impactant à la fois le dégagement de chaleur et la formation de polluants. Cette thèse s'appuiera sur des simulations LES d'un brûleur aéronautique industriel ainsi que sur les 15 ans d'expérience d'IFPEN dans le domaine de la réduction de modèles 3D vers les outils de SS.

  • Titre traduit

    Gas turbines system simulation : modelling of the impact of mixing and dilution on combustion and pollutant emissions


  • Résumé

    The actual context in aeronautics aims to drastically reduce fuel consumption and pollutant emissions (ACARE targets 2020 and 2050). It is expected to reach these ambitious targets both by optimizing the current engine architectures and introducing breakthrough technologies, the latter being generally more complex than the former; accordingly, it seems essential to increase dynamism and flexibility of gas turbines design process. Numerical simulation, because of its reduced cost, effectiveness and capability to gather and summarize knowledge, favors tighter communication and more constructive interactions between the different professions; in particular, system simulation (SS) stands out for its capability to deal with complex multi-physics phenomena appearing at the interface of different disciplines. The SS state of the art for aeronautics gas turbines consists in using simple modeling approaches for combustion and pollutant emissions. IFPEN, in order to anticipate the evolution of the design approaches, developed a phenomenological approach to combustion modeling, aiming to account for the combustion dynamics related to transient operating conditions. This approach includes the relevant physics structuring the flame, coming from our experience in LES modeling, the reference numerical tool in the domain. However, some assumptions such as the macroscopic description of the mixture composition and the temperature field within the combustion chamber do not allow to describe with a convenient level of details the thermochemistry of the flame in the spatial domain with industrial architectures in particular. This PhD aims to investigate the mixing and dilution phenomena in gas turbines and formalize this understanding in a model suitable for SS approaches. To achieve this goal, 3D simulations will allow to extract a description of combustion physics which will be integrated in the model in order to account for the multiple combustion processes, which directly impact heat release and pollutant emissions. This development will be based on LES simulations of an academic and/or industrial aeronautic combustor, taking advantage of the IFPEN 15-year experience in the domain of 3D CFD model formal reduction to 0D approaches.