Étude par simulation numérique de l'auto-allumage en écoulement turbulent cisaillé supersonique

par Pedro José Martínez Ferrer (Martinez Ferrer)

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Arnaud Mura, Guillaume Lehnasch et de Vladimir Sabel'Nikov.

Soutenue le 18-12-2013

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018) , en partenariat avec Institut Pprime / PPRIME (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Paul Bonnet.

Le jury était composé de Bénédicte Cuenot, Pierre Haldenwang.

Les rapporteurs étaient Abdellah Hadjadj, Vincent Giovangigli.

mots clés

• Couche de mélange
• Combustion supersonique
• SImulation numérique directe
• Avions -- Moteurs
• Combustion
• Écoulement cisaillé
• Simulation par ordinateur
• Compressibilité

Résumé

Cette étude est consacrée à l’analyse des écoulements réactifs supersoniques cisailléset, plus particulièrement, des couches de mélange compressibles pouvant se développerdans les moteurs ramjet et scramjet. Des méthodes numériques appropriées ont été implémentéeset vérifiées pour aboutir au développement d’un code de calcul numériquemassivement parallèle, appelé CREAMS (compressible reactive multi-species solver). Cedernier a été spécialement conçu pour conduire des simulations numériques haute précision(simulations numériques directes ou DNS) de ce type d’écoulements. Une attentionparticulière a été portée à la description des termes de transport moléculaire et des termessources chimiques de façon à considérer la description physique la plus fidèle possible desmélanges des gaz réactifs à haute vitesse, au sein desquelles les temps caractéristiqueschimiques et de mélange aux petites échelles sont susceptibles d’être du même ordre degrandeur. Les simulations des couches de mélange bidimensionnelles et tridimensionnelles,inertes et réactives, confirment l’importance des effets associés à la compressibilité et autaux de dégagement de chaleur. Les résultats ainsi obtenus diffèrent en certains points deceux issus d’autres simulations qui introduisaient certaines hypothèses simplificatrices :développement temporel, emploi d’une chimie globale ou encore lois de transport simplifiées.En revanche, ils reproduisent certains tendances déjà observées dans un certainnombre d’études expérimentales conduites dans des conditions similaires.

mots clés

• Mixing layer
• Supersonic combustion
• Direct numerical simulation

Titre traduit

Numerical simulation of self-ignition in supersonic turbulent shear flow

Résumé

This study is devoted to the analysis of supersonic reactive shear flows and, in particular,compressible mixing layers that can develop inside the ramjet and scramjet engines.Appropriate numerical methods have been implemented and tested to achieve the developmentof a massively parallel numerical solver, called CREAMS (compressible reactivemulti-species solver). This tool was designed to conduct high-precision numerical simulations(direct numerical simulations or DNS) of such flows. Particular attention waspaid to the description of the molecular transport terms and chemical source terms toconsider the most accurate physical description of reactive gas mixtures at high velocity,in which the chemical and mixing time scales, corresponding to the smallest scalesof the flow, are susceptible to be of the same order of magnitude. Simulations of twoandthree-dimensional, inert and reactive, mixing layers confirm the importance of theeffects associated with compressibility and rate of heat release. The results obtained differin some points from other simulations which introduced simplifying assumptions such astemporal development, use of a global chemistry or a simplified description of the moleculartransport terms. Nevertheless, they reproduce some trends already observed in severalexperimental studies conducted under similar conditions.