Simulation aux Grandes Echelles pour la prédiction des suies dans les moteurs aéronautiques

Prediction of soot particles in Gas Turbine Combustors using Large Eddy Simulation

• Auteur / Autrice : Lucien Gallen
• Direction : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 01/07/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Fiorina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber, Heinz Pitsch, Nicolas Bertier, Abderrahman El Bakali, Klaus Peter Geigle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Heinz Pitsch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Turbines à gaz

Mots clés libres

Suies

Combustion

Simulation aux grandes échelles

Transferts Radiatifs

Approche Lagrangienne

Turbines à gaz

Soot

Combustion

LES

Radiative transfer

Lagrangian formalism

Gas turbines

Résumé

Les futures réglementations en termes d'émission de polluants, notamment sur les particules fines (PM), qui s'appliquent aux chambres de combustion de nouvelle génération nécessitent de nouvelles approches de conception. Afin de réduire la formation des particules de suies, la compréhension des processus de formation et de transports des particules est nécessaire. La chimie et la dynamique de ces particules de suies dépendent fortement de la taille et de la morphologie de celle-ci, leur prédiction requière donc calculer la distribution en taille des particules. Pour cela, des méthodes Eulériennes sont utilisées (Moments, Sectionnels), ou des méthodes stochastiques Lagrangiennes sont proposées. Dans ce travail, une méthode semidéterministique basée sur l'approche Lagrangienne est proposée. Parallèlement, une description précise de la chimie, notamment pour les précurseurs de suies nécessaire aux modèles détaillés de formation de suies est développée. La méthodologie incluant la description des précurseurs de suies et le transport de celles-ci est calculée dans deux configurations de type aéronautiques. La première est la configuration FIRST, une flamme étudiée au DLR opérant à haute pression dans un milieu confiné et stabilisée à l'aide d'un swirleur. L'impact du choix du précurseur de suies ainsi que la prise en compte des transferts radiatifs est évaluée. La température et la fraction volumique des suies sont en accord avec les mesures expérimentales. La seconde configuration est le bruleur UTIAS Jet A-1 où le Jet A-1 est un carburant aéronautique, il est caractérisé par une flamme swirlée diphasique et étudié à l'université de Toronto au Canada. La simulation aux grandes échelles de cette configuration procure de nouvelles connaissances sur la formation des particules des suies dans les flammes turbulentes diphasiques. Un très bon accord avec les données expérimentales est observé pour cette configuration concernant les particules de suies

Expected stringent legislation on particulate matter (PM) emission by gas turbine combustors is currently motivating considerable efforts to be better understand, model and predict soot formation. This complex phenomenon is very difficult to study in detail with experiment, and numerical simulation is an essential complementary tool. Considering that the chemistry of soot particles strongly depends on their size, the numerical prediction of soot formation requires the description of their size distribution. To do so, either Eulerian methods (sectional or moments) or stochastic Lagrangian approaches are reported in the literature. In the present work, a far more simple semi-deterministic Lagrangian approach is proposed. An accurate description of the gaseous phase including first Polycyclic Aromatic Hydrocarbons is also developed as a necessary input to detail soot model. The combination of reduced chemistries with Lagrangian soot tracking is applied to canonical laminar sooting flames, later to two complex configurations representative of an aeronautical combustors. The first one is the FIRST configuration, a gaseous confined pressurized swirled flame studied experimentally at DLR. Impact of precursors species and radiative transfers through the resolution of Radiative Transfer Equation (RTE). Good predictions are obtained compared to experiments for predicted temperature and soot volume fraction. The second target configuration is the UTIAS Jet A-1 burner and corresponds to a confined turbulent spray flame burning aviation jet fuel A-1 studied experimentally at UTIAS Toronto. LES of this configuration provides a qualitative and quantitative understanding of soot evolution in turbulent spray flames. Numerical predicted soot volume fraction using Lagrangian soot tracking and an ARC mechanism including pyrolysis method is compared to experimental measurements. Results show the ability of the proposed methodology relying on ARC chemistry for Jet A-1 including pyrolysis method and Lagrangian soot tracking, to predict accurately soot compared to available measurements.