La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 Introduction à la modélisation de la combustion turbulente B. Cuenot CERFACS/CFD Toulouse - France Source: Cours de Combustion Turbulente de D. Veynante,

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 Introduction à la modélisation de la combustion turbulente B. Cuenot CERFACS/CFD Toulouse - France Source: Cours de Combustion Turbulente de D. Veynante,"— Transcription de la présentation:

1 1 Introduction à la modélisation de la combustion turbulente B. Cuenot CERFACS/CFD Toulouse - France Source: Cours de Combustion Turbulente de D. Veynante, ECP et L. Vervisch, INSA Rouen

2 2 Sommaire Introduction Structure des flammes Flamme et turbulence La simulation numérique Modélisation Examples

3 3 La combustion turbulente dans les moteurs Moteur SNECMA CFM-56 Améliorer les performances: Rendement / optimisation Pollution Instabilités de combustion Introduction

4 4 Questions scientifiques Mécanismes daccrochage/ allumage Interaction avec la turbulence Taux de combustion Interaction avec lacoustique Instabilités Emission de produits et de polluants Pertes par rayonnement Introduction

5 5 Problème complexe Couplant de nombreux phénomènes: Dynamique / Turbulence Chimie homogène et hétérogène (suies) Rayonnement Acoustique Changement de phase liquide / gaz Nécessité de prendre en compte la structure interne de la flamme Régime de flamme mince Émission OH Image ONERA Introduction

6 6 Interaction flamme - turbulence TURBULENCECOMBUSTION Fluctuations de vitesse Large gamme déchelles échelle intégrale échelle de Kolmogorov Transport non-linéaire Taux de réaction non-linéaire Front mince Fort dégagement de chaleur Forts gradients de température, densité, espèces chimiques Accélération (dilatation) Introduction

7 7 Flamme prémélangée Gaz frais Gaz brûlés Zone de préchauffage Zone de réaction Température Fuel Ox. Taux de réaction SL0SL0 Épaisseur de réaction r Épaisseur thermique L 0 L 0 10 r Re f = L 0 S L 0 / 1 Structure des flammes

8 8 Flamme prémélangée Structure des flammes Structure stationnaire 0 1 Domaine de flammabilité Richesse Variable de progrès ou

9 9 Flamme de diffusion Fuel Ox Zone de réaction Température Fuel Ox. Taux de réaction Pas de propagation de la flamme Pas dépaisseur caractéristique Structure instationnaire Très forte dépendance à lécoulement Structure des flammes

10 10 Flamme de diffusion Structure des flammes Z scalaire passif Z=1 Z=0 F O à la flamme: point stoechiométrique Z fonction de létirement Flamme à contre-courant

11 11 Flamme de diffusion Structure des flammes Z 1 0 Z st 1 T* F* O* T*, F* et O* fonctions linéaires de Z en-dehors de la zone de réaction Chimie infiniment rapide: épaisseur de réaction nulle, T*, F* et O* fonctions linéaires de Z partout Epaisseur thermique 0 TfTf allumage extinction =0: flamme instationnaire tot

12 12 Flamme de prémélange turbulente STST T S T /S L ( u /S L 0 ) n T l t S T /S L 0 A T / A L La turbulence plisse la flamme (étirement, courbure) Augmentation de la surface de flamme Augmentation de la vitesse de consommation La structure interne du front de flamme est peu modifiée Flamme et turbulence

13 13 Flamme de diffusion turbulente La turbulence plisse la flamme (étirement, courbure) La structure interne du front de flamme est sensiblement modifiée Hotel et Hawthorne, 1949 Flamme et turbulence

14 14 Objectifs Simulation numérique de la combustion turbulente Réduire les coûts de développement Améliorer les performances Moyens Comprendre les mécanismes et leur couplage Développer des outils de calcul prédictif fiables, robustes et rapides. La simulation numérique

15 15 Trois approches différentes : RANS: approche statistique --> valeurs moyennes LES: approche filtrée --> valeurs filtrées DNS: approche exacte --> valeurs locales & instantanées Plus de CPU Plus de modèles Simulation numérique de la combustion turbulente La simulation numérique

16 16 Canal turbulent Mesure de vitesse U RANS U U DNS LES temps DNS - LES - RANS La simulation numérique

17 17 Spectre dénergie cinétique turbulente E k ProductionTransfert Dissipation Echelle de Kolmogorov LES DNS kc RANS DNS - LES - RANS La simulation numérique

18 18 RANS: configuration industrielle stationnaire-pas dinfluence directe de la géométrie LES: configuration industrielle instationnaire (allumage, insabilités, …)-influence directe de la géométrie DNS: configurations génériques simples Les approches RANS et LES ont besoin de modéliser: Le transport non linéaire Le mélange turbulent Le taux de combustion turbulent Les couches limites turbulentes (lois de paroi) DNS - LES - RANS La simulation numérique

19 19 Problème de la turbulence: non-linéarité, caractère aléatoire +problème de la combustion: structure complexe, très raide et non-linéaire DNS - LES - RANS Example La simulation numérique

20 20 Moyenne de Favre Modélisation Système de 4 + N espèces équations de conservation compressibles instationnaires pour: La quantité de mouvement Lénergie Les espèces chimiques Moyenne de Reynolds (moyenne densemble) Termes à modéliser Densité variable Moyenne de Favre

21 21 Moyenne de Favre Modélisation On obtient ainsi: Les termes non fermés sécrivent etc … pour Flux turbulents Flux diffusifs Taux de réaction etc …

22 22 Modélisation Flux turbulents Flux diffusifs Taux de réaction Modèles classiques pour le tenseur de Reynolds Modèles de diffusion turbulente pour les espèces et lenthalpie Négligeables Modèles de combustion turbulente

23 23 Régimes de combustion turbulente Modélisation On définit 2 nombres sans dimension Damköhler t / c temps turbulent (grande échelle) / temps chimique Da >> 1 : chimie très rapide, régime de flamme mince peu dimpact de la turbulence sur la structure interne de la flamme Da << 1 : chimie lente, régime de flamme épaisse/distribuée la turbulence « défait » la structure de la flamme Karlovitz c / k temps chimique / temps turbulent (petite échelle) Ka < 1 : même les plus petites structures ne peuvent pas altérer la structure de la flamme: régime de « flammelette »

24 24 Régimes de combustion turbulente Modélisation Flammes de prémélange

25 25 Régimes de combustion turbulente Modélisation Flammes de diffusion avec et Da Re Extinction Effets instationnaires Flammelette Laminaire Da*=Da LFA Da*=Da ext

26 26 Les outils pour la modélisation Modélisation A partir des variables Z et c qui décrivent les structures de flamme, on trouve trois classes dapproche: Modèles basés sur le mélange turbulent, considéré comme le processus de contrôle Modèles basés sur des analyses géométriques (topologie du front de flamme) Modèles basés sur des considérations statistiques (fonctions de densité de probabilité) La plupart de ces modèles suppose un régime de flamme mince, ce qui est généralement le cas dans les applications moteur.

27 27 Le mélange turbulent Modélisation Le taux de dissipation des réactifs est un élément essentiel de la flamme turbulente Taux de dissipation scalaire ou avec

28 28 Analyse géométrique Modélisation Le front de flamme est vu comme une interface entre gaz frais / gaz brûlés ou fuel / oxydant, lieu dune série de « flammelettes ». Deux concepts: (1) Equation de G On introduit une variable G telle que linterface se situe en G=G 0 avec S T vitesse de déplacement de linterface. On prend souvent pour fonction G la distance au front de flamme. La difficulté est destimer la vitesse S T et de la relier à la vitesse de consommation de la flamme S c.

29 29 Analyse géométrique / G-equation Modélisation Trois techniques: On superpose une structure de flamme sur linterface G 0 Le champ de température est reconstruit à partir de G: Le taux de dégagement de chaleur est reconstruit à partir de G de la même façon que la température

30 30 Analyse géométrique Modélisation (2) Densité de surface de flamme Surface de flamme/Unité de volume Le taux de réaction moyen est ensuite calculé comme le produit de la densité de surface de flamme et du taux de réaction intégré au travers dune flammelette: V A Définition généralisée

31 31 Analyse géométrique Modélisation Le calcul de se fait par une équation bilan avec la moyenne conditionnée sur la surface étirement tangentiel propagation courbure SLSL (production) + (destruction) =

32 32 Analyse géométrique Modélisation Etirement total A A 0 Plissement Accélération du front de flamme par création de surface de flamme direction de propagation

33 33 Approche statistique Modélisation Fonction de densité de probabilité (pdf) Fonction de densité de probabilité multi-variables Moyennes condtionnées

34 34 Approche statistique Modélisation (1) Pdf présumée Ex: pour les flammes de diffusion on utilise souvent la fonction Beta: Z 0 1 Bimodale : variance élevée Z 0 1 Monomodale : variance faible Réactifs Produits

35 35 Approche statistique Modélisation (2) Equation de bilan pour la pdf Par exemple: Flux turbulent Terme chimique Terme de micromélange

36 36 Approche statistique Modélisation Le modèle CMC: Conditional Moment Closure Equations de bilan pour les moments conditionnels (1er et 2ème ordre) Par exemple:

37 37 Liens et similarités Modélisation Dissipation scalaire, pdf et surface de flamme sont les trois ingrédients essentiels de la modélisation de la combustion turbulente

38 38 Liens et similarités Modélisation Dissipation scalaire, pdf et surface de flamme sont les trois ingrédients essentiels de la modélisation de la combustion turbulente

39 39 Comparaison Modélisation Mécanisme physique Limitations/ Difficultés Taux de dissipationMicromélangeChimie très rapide Analyse géométrique Interaction flamme-turbulence Fermeture équation de bilan Approche statistique Structure fine de la flamme turbulente Détermination des moments et pdfs

40 40 Modèles pour les flammes de diffusion Modélisation Les flammes de diffusion sont dabord contrôlées par la mise en contact des deux réactifs approche « mixed is burned », où le modèle de combustion se réduit à un modèle de mélange Cette approche ignore la structure de flamme, donc les processus dallumage et extinction, les processus démission de polluants, la description des régimes partiellement prémélangés, faisant apparaître des structures complexes F + O F O

41 41 Modèles pour les flammes de diffusion Modélisation Trois niveaux de simplification: Chimie infiniment rapide (« mixed is burnt ») Chimie non infiniment rapide, avec un équilibre local diffusif réactif similaire au cas laminaire (flammelette) Chimie non infiniment rapide et modélisation de limpact du transport turbulent sur la structure de flamme

42 42 Modélisation du mélange turbulent Fuel / Air Modélisation Le mélange est décrit paret ProductionDissipation Equation bilan pour Condition déquilibre (Production=Dissipation): modèle de Relaxation linéaire

43 43 Modèles à chimie infiniment rapide Modélisation Eddy Dissipation Model constantes à ajuster. Pour non nul les produits représentent laction des gaz brûlés chauds (allumage, stabilisation) Le taux de réaction est contrôlé par lespèce chimique en défaut

44 44 Modèles à chimie infiniment rapide Modélisation Pdf présumée La forme de la Pdf peut être présumée à partir de En chimie infiniment rapide, toutes les variables ne dépendent que de Z et

45 45 Modèles à chimie non infiniment rapide Modélisation Modèle de flammelette : structure locale de flamme laminaire Z 1 0 Z st 1 T* augmente: Da diminue Da=1/( c chimie infiniment rapide: Da infini

46 46 Modèles à chimie non infiniment rapide Modélisation Il faut connaître Tabulation a priori: bibliothèque de flammelettes Chimie complexe: -ILDM : tabulation a priori des trajectoires chimiques -ISAT: tabulation en cours de calcul des trajectoires chimiques Pas de capture des effets instationnaires, ni des effets dallumage et dextinction

47 47 Modèles à chimie non infiniment rapide Modélisation Il faut connaître Hypothèse courante : Z et sont décorrélés Fonction Beta Loi log-normale Il faut estimer et 2

48 48 Modèles à chimie non infiniment rapide Modélisation Le modèle de flamme cohérente Basé sur le concept de densité de surface de flamme Equation bilan pour Taux de réaction normale au front de flamme -On peut intégrer la dépendance en -On ne modélise que le dégagement de chaleur

49 49 Modèles à chimie complexe et transport turbulent Modélisation Modèles statistiques CMC névalue pas la structure de flamme par des flammelettes monodimensionnelles mais par des moyennes conditionnelles calculées à partir déquations de bilan Pdf Les différentes pdf sont calculées par des équations de bilan Pdf 2d dune flamme jet non prémélangée

50 50 Résumé Modélisation HypothèsesStructure de flammeModèle Chimie infiniment rapide Fonction de ZPdf présumée Chimie finie Structure locale laminaire 1D Fonction de Z et Flammelette et Pdf Surface de flamme Chimie finie et micromélange Moyennes conditionnelles Calcul des moments CMC Pdfs Plus de précision Plus de cout CPU

51 51 Modélisation LES Modélisation La plupart des modèles développés en RANS peuvent être adaptés au calcul LES La résolution explicite des grandes échelles et la modélisation restreinte aux mécanismes de sous-maille offrent de nouvelles perspectives: -Modèle de Kerstein (Linear Eddy Model) -Modèle de micromélange

52 52 Modélisation LES Modélisation Modèle de Kerstein (Linear Eddy Model) Basé sur un modèle de mélange de sous-maille 1D Effet dune structure (x 0,l) + distribution statistique de (x 0,l) selon un spectre de turbulence

53 53 Modélisation LES Modélisation Modèle de micromélange: loi de similarité, modèle dynamique Comparaison DNS- Modèle pour la diffusion (Vervisch- Réveillon 1998)

54 54 Example Calcul DNS

55 55 Example Calcul LES brûleur prémélangé

56 56 Example Calcul LES brûleur non prémélangé

57 57 Bibliographie


Télécharger ppt "1 Introduction à la modélisation de la combustion turbulente B. Cuenot CERFACS/CFD Toulouse - France Source: Cours de Combustion Turbulente de D. Veynante,"

Présentations similaires


Annonces Google