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Simulation des grandes échelles et instabilités de combustion

Lartigue, Ghislain (2004) Simulation des grandes échelles et instabilités de combustion. (Large eddy simulation and combustion instabilities.)

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Abstract

Les nouvelles réglementations européennes sur les émissions de polluants imposent des contraintes de plus en plus strictes aux motoristes. C'est notamment le cas pour les constructeurs de turbines à gaz qui doivent désormais concevoir des moteurs fonctionnant avec un mélange très pauvre en carburant afin de respecter ces consignes. Les émissions polluantes sont ainsi réduites mais un nouveau problème apparaît alors : celui de la stabilité de la combustion. En effet, les régimes de combustion présentant un fort excès d'air sont naturellement plus sensibles aux instabilités de combustion. La prédiction numérique de ces phénomènes d'instabilités est donc au centre des préoccupations de nombreux industriels. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse propose de démontrer que de nouveaux outils numériques sont désormais capables de prédire ces instabilités de combustion. Notamment, la méthode de Simulation aux Grandes Echelles, implémentée dans un code de calcul compressible permet de prendre en compte les principaux phénomènes impliqués dans les instabilités de combustion tels que l'acoustique et l'interaction entre le front de flamme et une structure tourbillonnaire. Ce travail de thèse décrit une nouvelle formulation d'un code de Simulation des Grandes Echelles (le code AVBP, développé conjointement par le CERFACS et l'IFP) afin de le rendre capable de modéliser très précisément les phénomènes thermodynamiques et chimiques liés à la combustion. Une validation de ce travail sera présentée dans une géométrie complexe (le foyer PRECCINSTA). Les résultats numériques sont comparés avec succès à des mesures expérimentales effectuées par le DLR Stuttgart (Allemagne). De plus, une analyse approfondie de l'acoustique de la configuration et de son interaction avec la combustion est présentée. Pour cette analyse, un autre code du CERFACS (AVSP) a été utilisé. ABSTRACT : The new European laws on pollutants emission impose more and more constraints to motorists. This is particularly true for gas turbines manufacturers, that must design motors operating with very fuel-lean mixtures. Doing so, pollutants formation is significantly reduced but the problem of combustion stability arises. Actually, combustion regimes that have a large excess of air are naturally more sensitive to combustion instabilities. Numerical predictions of these instabilities is thus a key issue for many industrial involved in energy production. This thesis work tries to show that recent numerical tools are now able to predict these combustion instabilities. Particularly, the Large Eddy Simulation method, when implemented in a compressible CFD code, is able to take into account the main processes involved in combustion instabilities, such as acoustics and flame/vortex interaction. This work describes a new formulation of a Large Eddy Simulation numerical code that enables to take into account very precisely thermodynamics and chemistry, that are essential in combustion phenomena. A validation of this work will be presented in a complex geometry (the PRECCINSTA burner). Our numerical results will be successfully compared with experimental data gathered at DLR Stuttgart (Germany). Moreover, a detailed analysis of the acoustics in this configuration will be presented, as well as its interaction with the combustion. For this acoustics analysis, another CERFACS code has been extensively used, the Helmoltz solver AVSP.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:LES - Instabilités - Turbines à gaz - PRECCINSTA - Combustion - Acoustique - Conditions aux limites - AVBP
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:06 June 2005

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