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Modélisation de la combustion d’un spray dans un brûleur aéronautique

Paulhiac, Damien (2015) Modélisation de la combustion d’un spray dans un brûleur aéronautique. (Modeling spray combustion in an aeronautical burner.)

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Résumé

La combustion d’hydrocarbures représente encore aujourd’hui une part très majoritaire de la production d’énergie mondiale, en particulier dans la propulsion aérospatiale. La plupart des brûleurs industriels sont alimentés par un carburant sous forme liquide, qui est injecté directement dans la chambre de combustion, ce qui génère une forte interaction entre le spray, l’écoulement turbulent et la zone de combustion. Cette interaction a déjà largement été étudiée, mais certaines questions restent ouvertes. En particulier, la prise en compte de la combustion de goutte isolée dans le cadre de la Simulation aux Grandes Echelles (‘Large Eddy Simulation’ LES) de géométries complexes reste un problème difficile. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation de la combustion du spray dans le contexte de la LES de configurations complexes avec une approche Euler-Lagrange. Dans un premier temps, un modèle de combustion de gouttes incluant les différents régimes pour la LES, appelé MustARD pour « Multi-State Algorithm for Reacting Droplets », est proposé et validé dans plusieurs configurations académiques de complexité croissante. Dans un deuxième temps, MustARD est évalué sur une configuration de brûleur expérimental et comparé aux modèles classiques sans combustion de gouttes isolées. Cette étude montre que le régime de combustion de gouttes isolées n’est pas négligeable dans une telle configuration et qu’il modifie la structure de flamme. D’autre part, les comparaisons avec les résultats expérimentaux montrent que le modèle MustARD permet d’améliorer la précision des LES de sprays turbulents réactifs. ABSTRACT : The combustion of hydrocarbons still represents the major part of the worldwide production of energy, especially for aerospace. Most industrials burners are fed with liquid fuel that is directly injected in the combustion chamber, generating a strong interaction between the spray, the turbulent flow and the combustion. This interaction has been widely studied, but is not yet fully understood. In particular, modeling individual droplet combustion, in the framework of Large Eddy Simulation (LES) of complex geometries, is a difficult issue. This work aims at improving models for spray combustion, in the context of two-phase reactive LES of complex configurations using an Euler-Lagrange approach. First, a droplet combustion model accounting for the various regimes and called MustARD for « Multi-State Algorithm for Reacting Droplets » is proposed and validated on several academic configurations of growing complexity. Second, MustARD is evaluated in the LES of a lab-scale burner and compared to classical models neglecting individual droplet combustion. Results show in particular the importance of the new model and its impact on the flame structure. Moreover, the comparison with experiments shows that MustARD contributes to improve the numerical prediction of LES of two-phase reacting flows.

Département ou laboratoire:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cuenot, Bénédicte et Riber, Éléonore
Mots-clés:Spray - Combustion - Simulation aux grandes échelles - Simulation - Goutte - Euler-Lagrange. KEYWORDS : Spray - Combustion - LES - Simulation - Droplet - Euler-Lagrange
Sujets:Hydraulique > Mécanique des fluides
Hydraulique > Dynamique des fluides
Hydraulique > Energétique et transferts
Hydraulique > Mécanique énergétique
Déposé le:06 Novembre 2015

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