Le développement et l’application de la méthode eulèrienne de la fonction de densité filtrée couplée à la stratégie de la chimie tabulée selon FPV pour la simulation de l’oxy-combustion

Development and Application of an Eulerian Density Function Methodology coupled to Flamelet Progress Variable Approach for the Simulation of Oxyfuel Combustion

• Auteur / Autrice : Rihab Mahmoud
• Direction : Benoît Fiorina, Amsini Sadiki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Technische Universität (Darmstadt, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Heinz-Peter Schiffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreas Dreizler, Alessandro Parente, Alberto Cuoci, Ronan Vicquelin, Andreas Blaeser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Dreizler, Alessandro Parente, Alberto Cuoci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Combustion

Combustibles fossiles

Méthode d'Euler

Mots clés libres

Oxy-combustion

Eulerian stochastic field

FPV

LES

RANS

Flammes de diffusion

Oxy-combustion

Eulerian stochastic field

FPV

LES

RANS

Diffusion flames

Résumé

Vue la situation actuelle de ressources en combustibles fossiles menacées d’épuisement et des niveaux élevés d’émissions de polluants atmosphériques, l’état de l’art des recherches sur la combustion est confronté à deux défis principaux. Il s’agit d’une part d’optimiser l’efficacité de la combustion des combustibles fossiles et d’autre part du développer et d’appliquer des tratégies puissantes pour réduire la quantité de gaz polluants rejetésdans l’air tout en respectant les nouvelles normes d’émission conformément aux politiques énergétiques mondiales.Dans ce contexte, les technologies de captage et de stockage du dioxyde de carbone (CSC) jouent un rôle important en tant que stratégie énergétique adapteée en vue de l’atténuation des émissions de CO2 . L’un des aspects importants des techniques de CSC est l’oxydation du gaz naturel dans les conditions d’oxycombustion. Cependant, très peu de contributions scientifiques ont été consacrées à la recherche de ces systèmes de combustion, de sorte queles processus d’oxycombustion ne sont pas assez compris.L’objectif du présent travail est de développer et d’appliquer une méthode numérique avancée pour la simulation de l’oxycombustion. Cette approche a été intégrée dans la platforme numérique OpenFOAM et est capable de reproduire correctement l’interaction chimie-turbulence (ICT) pour les régimes de combustion non prémélangés. Le modèle proposé, qui est conçu pour les applications de RANS et LES, consiste en une fonction de densité de probabilité de transport (PDF) dans le contexte de la méthodologie du champ stochastique eulérien (ESF) combiné à un mécanisme de réduction chimique basé sur la variable d’avancement de la flamme (FPV). Dans le cadre la simulation des grandeséchelles (LES), la méthode proposée permet une description précise de l’influence des fluctuations de la structure fine (sous-maille) sur la structure de la flamme et sur les caractéristiques de la combustion, y compris l’intéraction turbulence-chimie associée.Le modèle de combustion développé a été d’abord vérifié, puis validé et appliqué à diverses configurations de combustion turbulente, non prémélangée et de complexité croissante. Le premier cas d’essai pour la validation de la méthode dans le contexte du RANS et du LES est la flamme Sandia D, qui consiste en flamme turbulente de méthane pilotée. Les flammes d’essai suivantes sont des flammes Sandia non prémélangées A & B, qui fonctionnent à diffèrents nombres de Reynolds et sont caractérisées par un enrichissement important de CO2 et de H2 dans les flux d’oxydant et du combustible, respectivement. Toutes les configurations de validation et d’application étudiés sont bien documentés avec des données expérimentales disponibles.Une comparaison entre les résultats des simulations obtenus et les données expérimentales concernant la température, les distributions scalaires, les PDFs et les diagrammes de dispersion montre un bon accord, en particulier dans le contexte de la LES. Enfin, ce travail démontre que l’approche hybride FSE/FPV peut éliminer les faiblesses associées à la méthode numérique β-PDF qui est basée sur l’approche FPV.

In the prevailing situation of unsustainable fossil fuel resources and the elevated levels of air pollutant emissions, the state-of-the-art of combustion investigations confronts primarily two challenges. These are on the one hand the optimization of the fossil fuel combustion efficiency and on the other hand the development and the application of robust strategies to reduce the amount of the released pollutant gases with respect to the new emission standards in accordance with the global energy policies.Within this context, the carbon dioxide capture and storage (CCS) technologies play an important role as an accepted strategy towards the mitigation of CO 2 emissions. One of the important aspects of the CCS techniques is the oxidation of natural gas under oxy-fuel combustion conditions. However, very few scientific contributions have been devoted to the research of these systems, so that there is a lack of understanding of the oxy-combustion processes.The present work aims at the development and the application of an advanced numerical approach for the simulation of oxy-fuel combustion in which the TCI is adequatelyaccounted for within non-premixed combustion regimes using the OpenFOAM platform.The suggested model which is designed for both RANS and LES applications consists of a combination of a transported probability density function approach following the Eulerian Stochastic field methodology and the flamelet progress variable (FPV) chemistry reduction mechanism. In the LES framework, the proposed method accurately represents the effect of the sub-grid fluctuations on the flame structure and on combustion characteristics along with the interaction between turbulence and chemistry.The implemented developed combustion model is first verified, and then validated and applied to different turbulent non-premixed combustion configurations featuring an increasing order of complexity. In particular, Sandia flame D which consists of a turbulent piloted methane-air jet flame is first employed for model validation in both RANS and LES contexts. The next flames are more challenging cases, namely the non-premixed Sandia oxy-flame series (A & B), which are operated under different Re numbers and characterized by various CO 2 and H 2 enrichments in the oxidizer and fuel streams, respectively. All investigated cases are well documented with available experimentalmeasurements.The comparison of the obtained results with experimental data in terms of temperature, scalar distributions, PDFs and scatter plots agree satisfactorily, essentially in the LES context.This work finally reveals that the hybrid ESF/FPV approach removes the weaknesses of the presumed probability density function based FPV modeling (β-PDF).