Simulation numérique des flammes turbulentes de prémélange et de diffusion : Application aux foyers aéronautiques

par Bruno Tourniaire

Thèse de doctorat en Sciences. Thermique énergétique

Sous la direction de Dany Escudié.

Soutenue en 1995

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Flammes de prémélange et de diffusion
• Simulation par ordinateur
• Turbulence
• Modèles mathématiques

Résumé

L'etude des ecoulements turbulents reactifs est le principal objectif de cette these. Nous presentons dans ce travail un modele de combustion turbulente de type pdf presumee, le modele cle (combustion limitee par l'equilibre). Ce dernier permet la simulation des flammes de diffusion et de premelange: il est donc particulierement bien adapte a l'etude des configurations industrielles dans lesquelles la complexite de l'ecoulement fait que la flamme conserve rarement une nature identique (premelange ou diffusion). Afin d'evaluer les performances et les limites de ce modele, nous etudions egalement une version du modele de flamme coherente pour la combustion premelangee et le modele probabiliste eulerien-lagrangien peul pour la combustion non-premelangee. Ces modeles ont ete introduits dans le code natur. L'approche numerique utilisee repose sur une discretisation en temps semi-implicite et sur une discretisation spatiale en elements finis. Les simulations de flammes de premelange et de diffusion avec differents modes de stabilisation montrent les possibilites du modele cle, en particulier l'aptitude a predire indifferemment les flammes de premelange et de diffusion. Les memes configurations, testees avec les modeles precedemment cites, ont revele ses limites: absence de prise en compte des effets de cinetique chimique, en raison de la conclusion positive tiree a l'issue de ces etudes, le modele cle est utilise pour la simulation de l'ecoulement reactif dans un foyer aeronautique.

Titre traduit

Numerical simulation of turbulent premixed and non-premixed flames. Application to jet engines combustors

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Résumé

The main purpose of this work is the study of turbulent reacting flows. A "presumed Pdf" model named CLE (Combustion Limited by Equilibrium) is presented here. This model enables the simulation of both premixed and non-premixed flames : it suits particularly well to the study of industrial devices where given the complexity of the flows both kind of flames may exist. In order to assess the performances and the limitations of this model, the coherent flame model for premixed combustion as well as the probabilistic Eularian Lagrangian model PEUL for non premixed combustion are also analysed. These models have been implemented in the code NATUR. The numerical approach is based on a semi-implicite time scheme and a finite elements method. Numerical simulations of premixed and non-premixed flames with different stabilization ways show the possibilities of the model CLE, especially its ability to predict both types of flames. The same devices, studied with the other models, have revealed its limitations : lack in predicting kinetics effects,. . . Given the positive conclusions of this work, the CLE model is used for the simulation of a turbulent reaction flow in a jet engine combustor.