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Schémas numériques et conditions limites pour la simulation aux grandes échelles de la combustion diphasique dans les foyers d'hélicoptère

Lamarque, Nicolas (2007) Schémas numériques et conditions limites pour la simulation aux grandes échelles de la combustion diphasique dans les foyers d'hélicoptère. (Numerical schemes and boundary conditions for LES of two-phase combustion in helicopters burnersFR.)

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Abstract

Pour réduire la consommation en carburant et respecter des normes anti-pollution toujours plus sévères, les motoristes font de plus en plus appel à la combustion prémélangée pauvre. Cependant, ce régime est enclin aux instabilités thermo-acoustiques pouvant dégrader fortement le foyer. La Simulation aux Grandes Echelles (LES) est, à cetitre, un outil présentant un grand potentiel pour une meilleure compréhension de ces phénomènes, comme l'ont montré certains travaux réalisés jusqu'à présent. Dans la majorité des applications industrielles, le carburant est injecté sous forme liquide, ce qu'il faut prendre en compte dans les simulations numériques. Cette thèse présente donc une stratégie de description de la combustion diphasique turbulente en géométries complexes, basée sur le formalisme Eulérien mésoscopique pour la phase dispersée. La discrétisation des termes convectifs constitue un des points cruciaux pour assurer la qualité d'une LES. Une description détaillée de différents schémas numériques de convection (volumes finis cell-vertex, Taylor-Galerkin) est tout d'abord fournie. On procède ensuite à une analyse théorique puis pratique des erreurs induites par ceux-ci et on propose des solutions pour les réduire. Une attention particulière est portée aux discrétisations aux bords du domaine de calcul ainsi qu'au type de conditions limites choisi. La chambre de combustion du banc expérimental MERCATO de l'ONERA sert à mettre en oeuvre, à valider et enfin à évaluer ces stratégies numériques. Enfin, trois méthodes de détermination des impédances acoustiques de conduits à section variable sont analysées et validées. Celles-ci permettent de caractériser les conditions limites d'entrée et de sortie des brûleurs industriels, en particulier pour les calculs de modes propres acoustiques. ABSTRACT : To reduce fuel consumption and pollutant emissions, burner designers are more and more using lean premixed combustion. Nevertheless, this regime suffers from thermo-acoustic instabilities sometimes leading to severe damages. Large Eddy Simulation (LES) is a promising tool to better understand and control those phenomena, as shown through previous researches. In the majority of industrial applications, fuel is injected as a liquid phase, which has to be taken into account in numerical simulations. This thesis describes a strategy based on Euler-Euler formalism to simulate two-phase turbulent reactive flows in complex geometries. Discretisation of convective terms is a key issue to ensure the quality of a LES. A fine description of different convection numerical schemes (cell-vertex finite volume method, Taylor-Galerkin schemes) is first given. Then theoretical and practical error analyses are supplied and some possible improvements are proposed. Special attention is paid for the discretizations and boundary conditions at the computational domain borders. ONERA experimental burner is used to validate and evaluate the numerical methods aforementionned. Eventually, three methodologies to determine section varying ducts acoustic impedances are presented and analysed. They provide inlet and outlet boundary conditions for industrial burners, especially for acoustic eigenmodes calculations

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 - Formalisme Euler-Euler - Schémas numériques pour la convection - Combustion diphasique turbulente - Géométries complexes - Conditions limites acoustiques. KEYWORDS : Large Eddy Simulation - Euler-Euler formalism - Numerical schemes for convection - Two-phase turbulent combustion - Complex geometries - Acoustic boundary conditions
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:05 June 2008

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