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Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique Application au Superstatoréacteur Yann Moule 2e année DEFA/PRA Bourse ONERA Directeurs.

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1 Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique Application au Superstatoréacteur Yann Moule 2e année DEFA/PRA Bourse ONERA Directeurs de thèse: Arnaud Mura (Institut P) Vladimir Sabelnikov (ONERA) Encadrant ONERA: Vladimir Sabelnikov

2 MOULE DEFA/PRA - JDD Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique Développement dun modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

3 MOULE DEFA/PRA - JDD Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Etude bibliographique Développement dun modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis Plan

4 MOULE DEFA/PRA - JDD Contexte Dimensionnement système propulsif supersonique aérobie PREPHA, JAPHAR, LEA Besoin dun outil numérique validé en soutien des moyens dessai – Délai dallumage – Rendement de combustion – Flux thermique aux parois – Perte de pression darrêt Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

5 MOULE DEFA/PRA - JDD Objectifs scientifiques Approche « classique » (équilibre chimique, cinétique Quasi- Laminaire, flammelette …) pour décrire les écoulements réactifs à grande vitesse (i.e à nombre de Reynolds élevé) non adaptée (Da ~ 1) Développer un modèle dInteraction Chimie-Turbulence (ICT) Effets de compressibilité Effets du mélange turbulent Effets de cinétique chimique finie Valider ce modèle sur différents cas test représentatifs à laide du code CEDRE Améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans lauto-allumage et la stabilisation dune flamme en régime supersonique Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

6 MOULE DEFA/PRA - JDD Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique Développement dun modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

7 MOULE DEFA/PRA - JDD Couche de cisaillement Développement de structures cohérentes (instabilités type Kelvin-Helmoltz) Mélange aux petites échelles Apparition de poches, partiellement pré-mélangées, susceptibles de brûler Développement dune couche de mélange Ces poches en combustion intermittente jouent un rôle prépondérant dans lauto- allumage et la stabilisation de la flamme. Effet de compressibilité Affecte le mélange Modifie la topologie de lécoulement et donc le délai dallumage La couche de mélange réactive (1/2) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Fully micromixed region Fuel Air U1U1 U2U2

8 MOULE DEFA/PRA - JDD Effet de la cinétique Cinétiques H2 / Air Détermine les temps caractéristiques chimiques Effets de viciation Régimes de combustion Plusieurs régimes observé [1] en fonction des caractéristiques locales (nombre de Damköhler) de la zone dinduction : - régime d'allumage brusque - régime dallumage étalé Compétition entre : - effets de compressibilité - dissipation visqueuse - mélange turbulent - cinétique chimique Injecteur ONERA au banc LAERTE La couche de mélange réactive (2/2) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [1] Self-Ignition of Hydrogen-Ethylene Mixtures in a Hot Supersonic Air Flow P. Magre, V. Sabelnikov (2002)

9 MOULE DEFA/PRA - JDD Mise en place dun modèle ICT (1/4) Développement dun modèle dInteraction Chimie – Turbulence (ICT) Les deux approches RANS et LES sont considérées Pour décrire correctement lauto-allumage et la stabilisation de la flamme, chaque maille de calcul est traitée comme un réacteur partiellement mélangé (PaSR) Approche générale Modèles de sous-maille multi-échelle pour la combustion Les réactions se déroulent aux plus petites échelles, là où le mélange est le plus intense Introduction de *, fraction volumique des structures fines Le taux de production moyen est alors modélisé par: Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

10 MOULE DEFA/PRA - JDD Mise en place dun modèle ICT – Approche LES (2/4) Modèles basé sur un équilibre local (PaSR) EDC: Modèle multi-échelle qui suppose que les réactions chimiques se déroulent aux plus petites échelles (échelles de Kolmogorov l K et K ) PaSR: Modèle multi-échelle qui suppose que le mélange et les réactions chimiques se déroulent de manière séquentielle dans chaque volume de calcul Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Échange local entre * et ° ° * Maille de calcul est le temps caractéristique chimique * et τ * sont respectivement proportionnels à l K et K (RANS et LES) En LES k et Δ sont respectivement lénergie de sous maille non résolue et la taille de maille En RANS k et l sont respectivement lénergie cinétique turbulente et léchelle intégrale de turbulence

11 MOULE DEFA/PRA - JDD Mise en place dun modèle ICT – Approche LES (3/4) Modèles avec transport pour la zone * (EPaSR) Effets convectifs Effets instationnaires Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Posant: avec où γ* est ici égal à * introduit précédemment et

12 MOULE DEFA/PRA - JDD Mise en place dun modèle ICT – Approche RANS(4/4) Approche RANS Modèle de fluctuation pour la dissipation ε présumée La source chimique est moyennée sur lensemble des réalisations Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives avec

13 MOULE DEFA/PRA - JDD Définition des cas test Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives RESTM12 (UQ/Australie) Flamme supersonique (Cheng et al.) Plaque plane F4 (ONERA/JAXA) Chambre de combustion (LAPCAT 2 /ONERA)

14 MOULE DEFA/PRA - JDD Calcul LES Configuration Cheng et al. Calcul Arrhenius en cours Comparaison du modèle PaSR-LES avec le modèle PaSR-RANS Difficultés pour définir convenablement les Conditions Limites Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

15 MOULE DEFA/PRA - JDD Calcul PaSR - RANS Cas du réacteur partiellement mélangé Configuration Cheng et al. [3] Mise au point du modèle PaSR - RANS Influence des différents paramètres du modèle Difficultés dans la résolution du système algébrique Amélioration des résultats avec un maillage raffiné dans la zone * Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [3] Finite-rate Chemistry Effects in a Mach 2 Reacting Flow T. Cheng et al. (1991)

16 MOULE DEFA/PRA - JDD Calcul PaSR - RANS / cas du réacteur Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

17 MOULE DEFA/PRA - JDD Couplage CEDRE / ANGENER R lage automatique Méthode AMA (Anisotropic Mesh Adaptation) Solveur ANGENER (ANistropic Mesh Adaptation GENERator) (V. Dolejsì – Charles University, Prague) Couplage CEDRE – ANGENER Conversion format géometrique CEDRE au format ANGENER Exemple de couplage [4] Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives CFD [4] daprès: Etude dune formulation générale pour les flammes non prémélange turbulentes L.Gomet, A. Mura(2008)

18 MOULE DEFA/PRA - JDD Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique: propriétés physiques dun écoulement de jonction Définition dun cas test représentatif Analyse physique du cas test Activités en cours: LES et étude expérimentale Conclusions et perspectives Publications et modules de formation

19 MOULE DEFA/PRA - JDD Conclusions et perspectives État davancement: Prise en main du code de calcul ONERA CEDRE Analyse des phénomènes physiques prépondérants Étude comparative de schémas cinétiques H2 / Air Codage de PaSR – EPaSR dans CEDRE Étude PaSR-RANS en cours sur une configurations académique Calcul LES en cours en vue dun comparaison RANS / LES / Expé Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

20 MOULE DEFA/PRA - JDD Conclusions et perspectives A venir… Évaluation et validation du modèle PaSR en RANS et LES Comparaison avec les résultats expérimentaux Optimisation du modèle PaSR-RANS Analyse de lauto-allumage et de la stabilisation de la flamme liftée de Cheng Mise au point du modèle EPaSR Calculs sur des géométries plus complexes (cas test de validation) et sur dautres configurations de foyers aéronautiques (PRF CLEANER) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

21 MOULE DEFA/PRA - JDD Plan Introduction au problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique: propriétés physiques dun écoulement de jonction Définition dun cas test représentatif Analyse physique du cas test Activités en cours: LES et étude expérimentale Conclusion et perspectives Publications et modules de formation

22 MOULE DEFA/PRA - JDD Publications et modules de formation Conférence (à venir): AIAA Space Plane Conference, April 2011, San Fransisco (CA) « Numerical Simulation of Self-Ignition in Supersonic Coflowing Jets using th EPaSR Chemistry-Turbulence Interaction Model », Y. Moule, V. Sabelnikov, A. Mura Modules de formation: Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010) Ecole de Combustion (CNRS) (2010)

23 MOULE DEFA/PRA - JDD Questions


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