Theoretical and numerical study of the isochore combustion applied to the case of the "Thermoreacteur"
Etude théorique et numérique de la combustion isochore appliquée au cas du thermoreacteur
Résumé
A major challenge for the aircraft industry is to improve engine efficiency and to reduce pollutant emissions for economic, technical and environmental reasons. Aeronautical gas turbines have enjoyed a constant improvement for more than 60 years. This technology seems to have reached such efficiency levels that a technological breakthrough is necessary. Constant Volume Combustion (CVC) offers significant gain in consumption and could replace classical constant pressure combustion technologies, currently used in aeronautical engines. Mechanisms involved in isovolume combustion are not accurately controlled in the context of aeronautical chambers. Experimental, theoretical and numerical studies should provide a better understanding of CVC devices. The objective of this thesis is to develop simulation tools to study the thermoreacteur concept. First, a zero-dimensional (0D) simulation tool is developed to describe the evolution of a CVC cycle. Models based on experimental correlations are used to build the 0D tool. Parameters have to be determined from numerical simulations. Today, the 3D simulation of a CVC system is possible thanks to the recent progress of the LES (Large Eddy Simulation) methods developed at CERFACS. Simulations of the thermoreacteur concept have been carried out, and compared to experimental results obtained at the Pprime laboratory. Three operating points have been calculated. The main conclusion is the existence of significant cyclic variations which are observed in the experiment and analyzed in the LES: the local flow velocity at spark timing and the level of residuals gases are the major factors leading to cyclic variations.
Un des principaux enjeux de l'industrie aéronautique est la recherche du moteur au meilleur rendement possible, pour satisfaire des contraintes économiques, techniques et environnementales. Les turbomachines bénéficient d'un constant perfectionnement depuis plus de 60 ans, et cette technologie semble avoir atteint un plateau. Une rupture technologique est aujourd'hui nécessaire, comme la combustion à volume constant (CVC). Le gain attendu est suffisant pour tenter de remplacer les systèmes actuels où la combustion se fait à pression constante. La combustion à isovolume fait appel à des mécanismes encore rarement maitrisés dans le contexte aéronautique. Sa compréhension passe par des expérimentations et des modèles théoriques et numériques. L’objectif de cette thèse est de développer une théorie et un outil de simulation LES (Large Eddy Simulation) appliqué au cas du concept ‘thermoréacteur’. Ainsi, la première étape a consisté à mettre en place un outil de simulation 0D traduisant l’évolution d’un cycle moteur de type CVC (Combustion à Volume Constant). Certains modèles utilisés dans cet outil 0D sont basés sur des corrélations expérimentales. D'autres présentent des paramètres à déterminer à partir de simulations numériques. La simulation 3D d’un système de type CVC est envisageable aujourd’hui grâce aux progrès récents des méthodes LES. Ainsi, des simulations du thermoréacteur ont pu être réalisées, et confrontées aux résultats expérimentaux obtenus au laboratoire Pprime sur trois points de fonctionnement. Les variabilités cycle à cycle observées expérimentalement ont été analysées dans les calculs LES. Les vitesses importantes au niveau de l'allumage et le taux de résidus du cycle précédent semblent être les principaux facteurs à l'origine de ces variations cycle à cycle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)