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Towards eulerian-eulerian large eddy simulation of reactive two-phase flows

Kaufmann, André (2004) Towards eulerian-eulerian large eddy simulation of reactive two-phase flows. (Vers la simulation des grandes échelles en formulation euler-euler des écoulements réactifs diphasiques.)

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Prix Léopold Escande 2004 (more)

Abstract

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements gaz-particules. On peut citer, entre autres, les turbines aéronautiques et les réacteurs à lit fluidisé de l’industrie chimique. Dès lors, l’amélioration de ces dispositifs, imposée par les nouvelles normes européennes sur les émissions polluantes, nécessite une connaissance prédictive de la dynamique de ce type d’écoulements ainsi que l’évaluation de ses grandeurs caractéristiques telles que la ségrégation spatiale des particules. La simulation numérique est aujourd’hui largement utilisée à cet effet. Les équations de la phase gazeuse sont résolues par Simulation Numérique Directe (SND) ou par Simulation des Grandes Echelles (SGE). Le couplage avec la phase dispersée peut être envisagé de deux manières. Une première approche, dite lagrangienne, consiste à calculer les trajectoires des particules. Communément utilisée et précise, son coût numérique ne permet cependant pas d’envisager son application à des géométries complexes réalistes. Une seconde approche est fondée sur un formalisme eulérien du mouvement des particules, le couplage entre les deux phases est alors assuré par des termes d’échange interfacial. Cette méthode a d’ores et déjà été validée pour des particules dont le temps de réponse est faible comparé à la micro-échelle de temps turbulent. L’extension de cette approche à des particules plus inertielles s’avère nécessaire dans les applications industrielles de type turbines à gaz. Ceci constitue l’objectif principal de cette thèse. Les résultats fournis par l’approche lagrangienne suggèrent de décomposer la vitesse des particules en une composante corrélée et une composante décorrélée. En outre, il apparaît que l’énergie décorrélée sélève à 30% de l’énergie totale de la phase dispersée lorsque le temps de relaxation des particules et l’échelle de temps lagrangienne sont du même ordre. La prise en compte de ce mouvement décorrélé requiert l’introduction d’un tenseur de contraintes dans l’équation de quantité de mouvement. Ce travail propose différents modèles qui sont validés au travers de simulations numériques eulériennes par comparaison avec des SND lagrangiennes. Enfin, une étude du couplage entre les équations de transport des particules et des modèles de combustion est proposée. ABSTRACT : Particle laden flows occur in industrial applications ranging from droplets in gas turbines to fluidized bed in chemical industry. Prediction of the dispersed phase properties such as concentration and dynamics are crucial for the design of more efficient devices that meet the new pollutant regulations of the European community. Numerical simulation coupling Lagrangian tracking of discrete particles with DNS or LES of the carrier phase provide a well established powerful tool to investigate particle laden flows. Such numerical methods have the drawback of being numerically very expensive for practical applications. Numerical simulations based on separate Eulerian balance equations for both phases, coupled through inter-phase exchange terms might be an effective alternative approach. This approach has been validated for the case of tracer particles with very low inertia that follow the carrier phase almost instantaneously due to their small response time compared with the microscale time scales of the carrier phase. Objective of this thesis is to extend this approach to more inertial particles that occur in practical applications such as fuel droplets in gas turbine combustors. Existing results suggest a separation of the dispersed phase velocity into a correlated and an uncorrelated component. The energy related to the uncorrelated component is about 30% of the total particle kinetic energy when the particle relaxation time is comparable to the Lagrangian integral time scale. The presence of this uncorrelated motion leads to stress terms in the Eulerian balance equation for the particle momentum. Models for this stress terms are proposed and tested. Numerical simulations in the Eulerian framework are validated by comparison with simulations using Lagrangian particle tracking. Additionally coupling of the Eulerian transport equations for the particles to combustion models is tested.

Department or laboratory:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cuenot, Bénédicte
Uncontrolled Keywords:Particules (matière) - Écoulement instationnaire (dynamique des fluides) – Turbulence - Écoulement diphasique, Simulation par ordinateur - Phase dispersée
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:14 June 2005

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