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Simulation aux grandes échelles et identification acoustique des turbines à gaz en régime partiellement prémélangé

Truffin, Karine (2005) Simulation aux grandes échelles et identification acoustique des turbines à gaz en régime partiellement prémélangé. (Large Eddy Simulation and acoustic identification of gaz turbines in partially premixed combustion regime.)

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Prix Léopold Escande 2005 (more)

Abstract

Dans les foyers aéronautiques, une des stratégies adoptée pour réduire l'émission de polluants et faciliter la stabilisation de la flamme, est d'injecter séparément les réactifs dans la chambre de combustion. L'objectif de cette thèse est de développer et de valider l'approche LES (Large Eddy Simulation) de la combustion turbulente partiellement prémélangée dans les turbines à gaz. La conception des nouvelles chambres de combustion moins polluantes, passe par la compréhension de phénomènes instationnaires, tels que les instabilités de combustion. Dans ce contexte, des méthodes pour identifier la réponse de la chambre aux perturbations acoustiques, responsables des instabilités, sont étudiées et améliorées. Dans un premier temps, une étude bibliographique rappelle les caractéristiques essentielles de trois types de combustion rencontrés dans les turbines à gaz (prémélange, diffusion, prémélange partiel). Un état de l'art sur la réduction des schémas cinétiques est proposé à l'issu duquel des schémas cinétiques réduits à deux et quatre étapes sont présentés. Ces schémas ont été développés et validés dans cette thèse. Le modèle de flamme épaissie dynamiquement a été spécialement étendue dans cette thèse aux schémas cinétiques multi-réactions (DTF_MS) en prenant en compte les termes sources de toutes les espèces. Il est intégré dans le code LES AVBP. Ces modèles de combustion doivent prendre en compte les spécificités de la réaction et de l'écoulement: zones de mélange, prémélange à richesse variable, interactions flamme/turbulence, émission de polluants. La deuxième partie décrit les méthodes de mesure des fonctions de transfert. Deux méthodes (FTF et ITM), couramment utilisées numériquement et expérimentalement pour identifier la réponse de la flamme, sont comparées. La formulation FTF est améliorée pour être pleinement compatible avec les approches ITM dans le cadre de l'acoustique linéaire 1D. La troisième partie présente l'étude d'un brûleur propane/air, installé au laboratoire EM2C(Ecole Centrale, Paris). Cette partie représente un premier cas de validation de la LES réactive dans une configuration académique non prémélangée. Les nombreuses comparaisons avec l'expérience permettent de vérifier la qualité de la LES et de mettre en évidence les points à améliorer, en particulier la modélisation de la cinétique. L'évaluation de la réponse instationnaire de la flamme soumise à des perturbations acoustiques est réalisée en comparant les moyennes de phase LES/expérience et en déterminant les fonctions de transfert. Les résultats justifient l'utilisation des méthodes FTF étendues. Enfin, les simulations d'un prototype de brûleur industriel (installé au DLR Institut Technologique de Propulsion à Cologne) ont permis de valider différents points. Tout d'abord, elles montrent que les modèles de combustion sont applicables à une géométrie aussi complexe. Ensuite, elles permettent une première validation des modèles développés dans cette thèse. Les champs moyens obtenus avec deux schémas cinétiques (deux et quatre étapes) sont comparés. Enfin, elles rendent compte de phénomènes instationnaires complexes, tels que les PVC ("Precessing Vortex Core"), les couplages acoustique/hydrodynamique et les instabilités de combustion. ABSTRACT : To reduce pollutant emissions and to better stabilize the flame in modern aeroengine combustors, a common strategy is to inject fuel and oxidizer separately. The aim of this thesis is first to develop and to validate the large eddy simulation (LES) of turbulent partially premixed combustion in gaz turbines. The design of new combustion chambers with low level emissions requires the understanding of unsteady phenomena, like combustion instabilities. In this study, two methods for identifying the chamber response to acoustic perturbations are investigated. In the first part, the three types of combustion (premixed, diffusion partially premixed), which are found in combustors are briefly described. Then a state of the art in kinetic scheme reduction techniques is given, followed by the description of a 2-step and a 4-step reduced kinetic schemes, that have been developed and validated for this study. Then, a dynamically thickened flame model (DTF_MS) has been specially developed in the thesis for multi-step reaction schemes. It has been integrated in the LES code AVBP. These models take into account the features of the flow and of the reaction: mixing zones, variable equivalence ratios, flame/turbulence interactions, pollutant emissions. In the second part, methods for measuring flame transfer functions are detailed. Two methods (FTF and ITM) are usually used numerically and experimentally, to identify the unsteady flame response. The FTF formulation is extended to be fully compatible with the approach ITM in the 1D linear acoustic analysis. In the third part, a propane/air burner set up at EM2C laboratory (Ecole Centrale, Paris) is presented. This part is dedicated to the first validation of reactive LES in an academic non premixed configuration. The many comparisons with experiments are used to check the accuracy of LES and to evidence results that need to be improved. The evaluation of the response of the flame under acoustic forcing is realised comparing simulation and experiments in terms of phase average fields and flame transfer functions. Results show that extended FTF methods are needed. Finally, simulations of the prototype of an industrial burner (installed in DLR Institute of Propulsion Technology) are used to validate some points. First, the combustion models can be applied in a complex geometry. Second, this part provides a first validation of the combustion models developed in this thesis. The mean fields obtained with two kinetic schemes (2 and 4 steps) are compared. Third, complex unsteady phenomena, like PVC ("precessing vortex core"), acoustics/hydrodynamics coupling and combustion instabilities, can be captured by LES

Department or laboratory:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cuenot, Bénédicte
Uncontrolled Keywords:Simulation des Grandes Echelles - Combustion turbulente partiellement prémélangée - Identification acoustique des brûleurs - Instabilités de combustion - Schémas cinétiques - Foyers aéronautiques. KEYWORDS : Large Eddy Simulation - Turbulent partially premixed combustion - Acoustic identification of burners - Combustion instabilities - Kinetic schemes - Aeroengine combustors
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:08 July 2008

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