Assessment of Large Eddy Simulation in the Conjugate Heat Transfer context for engine operability : application to Hydrogen enrichment and Spinning Combustion Technology
Évaluation de la simulation aux grandes échelles dans le contexte du transfert de chaleur conjugué pour l'opérabilité du moteur : application à l'enrichissement en hydrogène et à la technologie de combustion giratoire
Résumé
As society evolves towards a green economy to face climate change, the combustion community is expected to develop new technologies and design low emission combustors for the aviation and energy sectors. In that respect, hydrogen is today a promising technical solution since it offers no direct CO2 production and even when it is mixed with classical fossil fuels it helps the stabilization of leaner and greener flames. However, the development of H2 combustion chamber is a technological challenge raising multiple questions in terms of reliability, efficiency and safety, especially for airplanes. When it comes to helicopter engines, there exists no specific pollutant emission regulation as of now and, due to their low power, helicopters are ideal testbed for new technologies. More specifically and to illustrate this ideal development context, Safran Helicopter Engines (SHE) has recently developed the Spinning Combustion Technology (SCT) gaining in engine operability and lean blow-out (LBO) capabilities. Due to its large potential in predicting complex reactive flows, Large Eddy Simulation (LES) has proven useful to support this design challenge, whether it is oriented toward a change in fuel (H2) or a change in combustor geometry (SCT). However, since engine operability is a very fine phenomenon given its multi-physics nature, large efforts and attention should be paid on the proper modeling of the different physics coexisting in these systems. In this work, a full assessment of Conjugate Heat Transfer based high-fidelity LES models is proposed and organized in three parts. First, main modeling challenges are addressed. As H2-enrichment and real engine conditions yield reduced flame thickness and more stringent requirements in terms of domain discretization, a physics-based Static Mesh Refinement (SMR) approach is derived and validated on different configurations. In parallel and since real flow prediction will depend on the applied thermal boundaries, Conjugate Heat Transfer (CHT) based LES simulations are validated and assessed compared to simpler strategies for a partially premixed swirled flame, the right dynamics being correctly predicted only with a correct estimation of the heat transfer at the walls. Finally, the effect of variable transport properties, typical of H2 mixture flows, on a swirled premixed flame is analyzed, confirming that a proper description of the chemistry and transport properties are needed when dealing with notconventional fuel mixtures.Second, the effects of H2-enrichment and elevated pressure (up to 5 bar) are investigated for a swirled CH4 flame. Both drastic changes on the flame shape and its dynamics are observed, eventually triggering thermoacoustic oscillations. Third, the flame stabilization and the LBO dynamics in the SCT are specifically studied. CHT-LES is able to retrieve the experimentally observed dynamics when decreasing the equivalence ratio and provides better results than typical adiabatic simulations. To finish, LES is used as an industrial tool to design a new burner closer to real SCT engines. By addressing these challenges, this work demonstrates the assessment of LES, in a CHT context, for predicting engine operability when dealing with innovative technologies and therefore highlights the central role of High Power Computing (HPC) and high-fidelity LES in the transition towards a decarbonized future.
Alors que la société évolue vers une économie verte pour faire face au changement climatique, la communauté de la combustion devrait développer de nouvelles technologies et concevoir des chambres de combustion à faibles émissions pour les secteurs de l'aviation et de l'énergie. À cet égard, l'hydrogène est aujourd'hui une solution technique prometteuse puisqu'il n'offre aucune production directe de CO2 et même lorsqu'il est mélangé à des combustibles fossiles classiques, il contribue à la stabilisation de flammes plus pauvres et plus vertes. Cependant, le développement de la chambre de combustion H2 est un défi technologique soulevant de multiples questions en termes de fiabilité, d'efficacité et de sécurité, notamment pour les avions. En ce qui concerne les moteurs d'hélicoptères, il n'existe pas à ce jour de réglementation spécifique sur les émissions de polluants et, en raison de leur faible puissance, les hélicoptères sont des bancs d'essais idéaux pour les nouvelles technologies. Plus précisément et pour illustrer ce contexte de développement idéal, Safran Helicopter Engines (SHE) a récemment développé la Spinning Combustion Technology (SCT) gagnant en opérabilité moteur et en capacité de soufflage pauvre (LBO). En raison de son grand potentiel de prédiction d'écoulements réactifs complexes, la simulation aux grandes échelles (LES) s'est avérée utile pour relever ce défi de conception, qu'elle soit orientée vers un changement de combustible (H2) ou un changement de géométrie de la chambre de combustion (SCT). Cependant, étant donné que l'opérabilité des moteurs est un phénomène très fin compte tenu de sa nature multi-physique, de grands efforts et une attention particulière doivent être portés sur la modélisation appropriée des différentes physiques coexistant dans ces systèmes. Dans ce travail, une évaluation complète des modèles LES haute-fidélité basés sur le transfert de chaleur conjugué est proposée et organisée en trois parties. Dans un premier temps, les principaux défis de la modélisation sont abordés. Comme l'enrichissement en H2 et les conditions réelles du moteur donnent une épaisseur de flamme réduite et des exigences plus strictes en termes de discrétisation de domaine, une approche de raffinement de maillage statique (SMR) basée sur la physique est dérivée et validée sur différentes configurations. En parallèle et puisque la prédiction de l'écoulement réel dépendra des limites thermiques appliquées, les simulations LES basées sur le transfert de chaleur conjugué (CHT) sont validées et évaluées par rapport à des stratégies plus simples pour une flamme tourbillonnante partiellement prémélangée, la bonne dynamique n'étant correctement prédite qu'avec une estimation correcte. du transfert de chaleur aux parois. Enfin, l'effet des propriétés de transport variables, typiques des écoulements de mélange H2, sur une flamme prémélangée tourbillonnante est analysé, confirmant qu'une description appropriée de la chimie et des propriétés de transport est nécessaire lorsqu'il s'agit de mélanges de carburants non conventionnels.Deuxièmement, les effets de l'enrichissement en H2 et de la pression élevée (jusqu'à 5 bar) sont étudiés pour une flamme CH4 tourbillonnante. Des changements drastiques de la forme de la flamme et de sa dynamique sont observés, déclenchant éventuellement des oscillations thermoacoustiques. Troisièmement, la stabilisation de la flamme et la dynamique LBO dans le SCT sont spécifiquement étudiées. CHT-LES est capable de récupérer la dynamique observée expérimentalement lors de la diminution du rapport d'équivalence et fournit de meilleurs résultats que les simulations adiabatiques typiques. Pour finir, LES est utilisé comme outil industriel pour concevoir un nouveau brûleur plus proche des vrais moteurs SCT. En abordant ces défis, ce travail démontre l'évaluation du LES, dans un contexte CHT, pour prédire l'opérabilité des moteurs face à des technologies innovantes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)