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Development, verification and validation of LES tools for the study of combustion noise and combustion-acoustic-turbulence interaction

Porta, Mauro (2007) Development, verification and validation of LES tools for the study of combustion noise and combustion-acoustic-turbulence interaction. (Développement, vérification et validation des outils LES pour l'étude du bruit de combustion et de l'interaction combustion / acoustique / turbulence.)

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Abstract

Durant ces dernières années, les contraintes sur les émissions de polluants pour les turbines à gaz sont devenues de plus en plus stricts. Afin de respecter ces conditions, les constructeurs ont développé des systèmes de combustion fonctionnant en régimes très pauvres. Malheureusement, les brûleurs fonctionnant dans ces conditions peuvent montrer de fortes instabilités thermo-acoustiques menant à des dommages sérieux ou mˆeme à la destruction complète du système. La Simulation aux Grandes Echelles (LES en anglais) est considérée de nos jours comme l'outil de calcul numérique le plus prometteur pour l'étude des instabilités de combustion. Son intrinsèque instationnaritée et sa capacité à résoudre directement les plus grands tourbillons et la propagation d'ondes acoustiques, permettent à la LES d'analyser les fortes interactions entre la turbulence, le mélange des espèces chimiques, les réactions chimiques et l'acoustique, qui sont les sources primaires des instabilités de combustion. Cependant, les limitations et la précision exacte de la LES restent à déterminer, en particulier pour la prévision du bruit de combustion et des instabilités de combustion autoentretenues. Dans ce travail, on vérifie d'abord la capacité d'AVBP, le code LES du CERFACS, à calculer exactement des configurations simples impliquant seulement un phénomène physique (turbulence, acoustique ou combustion). Des cas test académiques réactifs et non-réactifs, pour lesquels les solutions analytiques sont connues, sont présentés, en mettant particulièrement en évidence l'influence de la discrétisation numérique et son interaction avec les conditionslimites. Puis, ayant démontré la validité et le bon fonctionnement de l'outil LES, les résultats d'un calcul d'instabilités autoentretenues d'un brûleur de laboratoire sont exposés. ABSTRACT : In the last years, constraints on pollutants emissions for gas turbines have become more and more severe. In order to fulfill these requirements, gas turbines manufacturers developed combustion systems operating at very lean regimes. Unfortunately, burners working under these conditions can exhibit strong thermo-acoustical instabilities leading to serious damages or even to the complete destruction of the combustion system. Large Eddy Simulation (LES) is nowadays considered as the most promising CFD tool for the study of combustion instabilities. Its intrinsic unsteadiness and the capability of directly solving the motion of the largest vortices and acoustic waves propagation, enable LES to analyze the strong interactions between turbulence, chemical species mixing, acoustics and chemical reactions, which are the primary sources of combustion instabilities. However, the exact precision and the limitations of LES remain to be determined in particular for the prediction of combustion noise and self-excited combustion instabilities. Therefore, in this work the ability of the LES code AVBP of CERFACS to accurately compute simple configurations involving only one phisical phenomenon (turbulence, acoustics or combustion) is firstly verified. Reactive and non-reactive academical test cases, for which the analytical solutions are known, are presented putting special emphasis on the influence of the numerical discretization and on its interaction with boundary conditions. Then, having gained confidence in the LES tool, the results obtained from a self-excited computation of a lab-scale burner are shown

Department or laboratory:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Simulation aux Grandes Echelles - Instabilités de combustion - Schéma numerique aux bords - Acoustique - Bruit de combustion - Interaction fluide-structure. KEYWORDS : Large Eddy Simulation - Combustion instabilities - Boundary numerical schemes - Acoustics - Combustion noise - Fluid-structure interaction
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:19 February 2008

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