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Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique. Application au Superstatoréacteur Yann Moule 3e année DEFA/PRA Bourse ONERA Directeurs.

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1 Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique. Application au Superstatoréacteur Yann Moule 3e 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 Étude 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 Écoulement supersonique: temps de résidence faible Temps caractéristiques turbulent et chimique comparables de vol modéré) Da ~ 1 Approche « classique » (équilibre chimique, cinétique Quasi-Laminaire, flammelette …) pour décrire les écoulements réactifs à Mach de vol modéré non adaptée Développer un modèle dInteraction Chimie-Turbulence (ICT) 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 (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 RANS (3/4) Modèles spécifique à la modélisation RANS En plus de PaSR, spécifique à lallumage Importance fluctuations de T DL à lordre 2 des termes sources chimiques en T Effets limité au phénomène dallumage ( T < T critique ) Équation de transport pour la variance de T [2] Équation pour la variance de lénergie Équation classique de scalaire Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [2] Investigation Of An Assumed PDF Approach For Finite-Rate Chemistry P. Gerlinger (2010)

12 MOULE DEFA/PRA - JDD Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (1/3) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [3] Finite-rate Chemistry Effects in a Mach 2 Reacting Flow T. Cheng et al. (1991) Flamme supersonique (Cheng et al.)

13 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives x/D=10.8 x/D=21.5 x/D=32x/D=43.6 Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (2/3)

14 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives x/D=10.8x/D=21.5 x/D=43.1 Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (3/3)

15 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Calcul LES / Configuration Académique Configuration Cheng et al. ~ 31 MCells, 94 MFaces Calcul Arrhenius en cours Comparaison du modèle PaSR-LES avec le modèle PaSR-RANS

16 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [4] Shock Tunnel Experiments with a Mach 12 REST Scramjet at Off-Design Conditions M. Suraweera et al. (2008) RESTM12 (UQ/Australie)[4] Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (1/4)

17 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Fuel off Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (2/4)

18 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Step injection – =1.14Inlet injection – =0.41 Combined injection (1:2) – =1.23 Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (3/4)

19 MOULE DEFA/PRA - JDD Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Step injection – =1.14 – Dégagement de chaleur Inlet injection – =0.41 – Dégagement de chaleur Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (4/4)

20 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

21 MOULE DEFA/PRA - JDD Conclusions et perspectives État davancement: Analyse des phénomènes physiques prépondérants Étude comparative de schémas cinétiques H2 / Air Amélioration et implémentation du modèle PaSR dans CEDRE Méthodologie PaSR-RANS validée sur une configuration académique Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

22 MOULE DEFA/PRA - JDD Conclusions et perspectives A venir… Validation PaSR-LES en cours sur une configuration académique Validation PaSR-RANS en cours sur une configuration de superstatoréacteur Rédaction du mémoire de thèse / articles Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

23 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

24 MOULE DEFA/PRA - JDD Publications et modules de formation Conférence: AIAA Space Plane Conference, April 2011, San Fransisco (CA) « Modelling of Self-Ignition Processes in Supersonic Non Premixed Coflowing Jets Based on a PaSR Approach », Y. Moule, V. Sabelnikov, A. Mura Modules de formation: Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010) Ecole de Combustion (CNRS) (2010) Rédaction du mémoire de thèse (Onera) (2011)

25 MOULE DEFA/PRA - JDD Questions


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