Modélisation de la structure et de la dynamique des flammes pour la simulation aux grandes échelles

Modeling chemical flame structure and combustion dynamics in large eddy simulation

• Auteur / Autrice : Pierre Auzillon
• Direction : Olivier Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 20/10/2011
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gicquel, Amsini Sadiki, Thierry Poinsot, Benoît Fiorina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amsini Sadiki, Thierry Poinsot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie inorganique

Moteurs -- Combustion

Mots clés libres

Simulation aux grandes échelles

Chimie tabulée

Dynamique de flamme

Large Eddy Simulation

Tabulated chemistry

Flame dynamics

Résumé

Dans le contexte actuel, pour diminuer la consommation de fuel et les émissions de polluants comme le CO2 ou les NOx, les chambres de combustion aéronautiques de nouvelle génération sont basées sur la combustion partiellement prémélangée pauvre. La simulation numérique de ce type de chambre nécessite de prédire avec précision la température, la dynamique de flamme et la formation de polluants. Comme l’écoulement est fortement instationnaire, l’utilisation de la simulation aux grandes échelles s’avère nécessaire. C’est dans ce contexte que nous avons développé le modèle F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). Ce modèle se base sur un filtrage a priori de flammelettes calculées en prenant en compte les effets liés à la chimie détaillée. Il permet alors d’améliorer la prédiction des polluants et de la température tout en prenant en compte les contributions résolues et de sous maille de plissement, garantissant ainsi la bonne prédiction de la vitesse de propagation de la flamme. F-TACLES est appliqué à deux configurations d’injecteurs industriels étudiés expérimentalement : les chambres PRECCINSTA et MOLECULES. Sur le plan de la prédiction de la dynamique de flamme, le développement de F-TACLES a induit une réflexion plus générale sur la combustion en LES. En effet, l’ensemble des méthodes de simulation de la combustion introduisent un épaississement artificiel de la flamme afin de pouvoir la résoudre sur le maillage de calcul. L’impact de cet épaississement est étudié pour les approches TFLES (Thicken Flame for Large Eddy Simulation) et F-TACLES dans le cadre simplifié de la combustion prémélangée. Pour cela, une approche analytique ainsi que des simulations laminaires et turbulentes sont réalisées et comparées à des simulations directes (Direct Numerical Simulation) et à des données expérimentales. Pour finir, la chambre de combustion d’un hélicoptère est simulée avec l’approche F-TACLES pour reproduire et comprendre l’effet d’une modification géométrique observée expérimentalement.

In the present-day context, to reduce fuel consumption and emissions of pollutants such as CO2 or NOx, aeronautical combustion chambers of new generation are based on lean partially-premixed combustion. The numerical simulation of these configurations then requires to accurately predict the temperature, the flame dynamics and the pollutant formation. To capture flow instationnarities, Large Eddy Simulation (LES) is required. In this context, we have developed the model F-TACLES (Filtered tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). This modeled is based on an a priori filtering of flamelet that takes into account detailed chemistry effects. It lets to improve predictions of pollutants and temperature with the resolved and modelled contributions of the flame wrinkling, while guaranteeing a correct prediction of the flame propagation speed. F-TACLES is applied to two experimentallystudied industrial injectors : the PRECCINSTA and MOLECULES combustion chambers. In terms of flame dynamics prediction, the F-TACLES development induced a more general reflection on the combustion LES. Indeed, all methods of combustion simulation introduce an artificial thickening of the flame front for an appropriate resolution on the computational mesh. In the simplified framework of premixed combustion, the impact of this thickening is measured for two different approaches : TFLES (Thicken Flame for LES) and F-TACLES. For this purpose, an analytical model as well as laminar and turbulent simulations are compared to direct numerical simulation (DNS) or experimental data. Finally, a helicopter combustion chamber is simulated with the F-TACLES approach in order to attempt to reproduce the impact of a geometric modification on the combustion.