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Modélisation de la formation des suies et du couplage avec le rayonnement dans les foyers aéronautiques Luc-Henry Dorey 3 ème année DEFA/PRA Bourse ONERA.

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1 Modélisation de la formation des suies et du couplage avec le rayonnement dans les foyers aéronautiques Luc-Henry Dorey 3 ème année DEFA/PRA Bourse ONERA Directeur de thèse: Francis Dupoirieux (DEFA/PRA) Encadrants ONERA: Lionel Tessé Nicolas Bertier

2 DEFA/PRA - JDD Plan Positionnement du problème Contexte Objectifs scientifiques Démarche de la thèse Modélisation de lécoulement dans la chambre TLC (Towards Lean Combustion) Description de la configuration Paramètres et modèles utilisés Résultats: Apport de la cinétique réduite corrigée Comparaison RANS – LES Comparaison avec les mesures expérimentales Prise en compte du rayonnement Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

3 DEFA/PRA - JDD Contexte Les suies sont des particules indésirables : Nanoparticules nocives pour la santé Principal précurseur des traînées de condensation Dans les chambres de combustion : Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

4 DEFA/PRA - JDD Objectifs de la thèse Calculer les transferts thermiques dans les chambres de combustion, notamment aux parois Prédire les niveaux des émissions polluantes des moteurs Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

5 DEFA/PRA - JDD Démarche de la thèse Modélisation de la formation des suies : Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le modèle semi-empirique de Leung Couplage combustion – rayonnement : Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de rayonnement Monte Carlo ASTRE Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE Application de la stratégie de modélisation à la chambre TLC Nouveau concept de chambre « basses émissions » doté dun injecteur multipoint à swirl SNECMA Lun des foyers le mieux instrumenté en Europe (banc M1) Mesures DRASC de température (DMPH) Mesures de vapeur de kérosène et de radical OH par PLIF (DMPH) Mesures de fractions volumiques de suies dans la chambre par LII (DLR) Mesures de fractions volumiques de suies en sortie par prélèvement (DLR) Caractérisation de la phase dispersée à froid (DMAE) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

6 Application de la stratégie de calcul: la chambre TLC

7 DEFA/PRA - JDD Configuration de la chambre TLC Domaine de calcul : Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

8 DEFA/PRA - JDD Configuration de la chambre TLC Domaine de calcul et conditions aux limites : Injection axiale (film de refroidissement) Injection collerette radiale Rangée de vrilles radiales 2 rangées de vrilles axiales contrarotatives Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

9 DEFA/PRA - JDD Paramètres numériques Maillage utilisé (conçu pour la LES) : 3 millions de tétraèdres Cellules de 0,6 mm de « diamètre » dans la zone de flamme Injection diphasique de kérosène par deux circuits Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

10 DEFA/PRA - JDD Caractéristiques de la simulation Point de fonctionnement : Régime intermédiaire (phase de vol : approche) Pression chambre : 9,5 bar Température de lair en entrée : 592 K Injection du fuel à 50% par le multipoint et à 50% par le pilote Chaîne de calcul CEDRE Solveur CHARME (gaz) Solveur SPARTE (phase dispersée en approche lagrangienne) Solveur ASTRE (rayonnement) Modèles et schémas numériques Cinétique Arrhenius corrigée à 2 étapes et 6 espèces Pour le RANS : modèle k-l et pas de temps de s. Pour la LES : modèle TFLES et pas de temps de s. Phase dispersée : fragmentation secondaire à Weber 12 Schéma dintégration temporelle Euler implicite Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

11 DEFA/PRA - JDD Comparaison RANS - LES Champ de température (K) RANSLES (champ moyen) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

12 DEFA/PRA - JDD Comparaison RANS - LES Champ de vitesse axiale (m.s -1 ) RANSLES (champ moyen) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

13 DEFA/PRA - JDD Comparaison RANS - LES Champ de vitesse transversale (m.s -1 ) RANSLES (champ moyen) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

14 DEFA/PRA - JDD Régimes de combustion Critère de Takeno corrélé au taux de réaction:

15 DEFA/PRA - JDD Topologie 3D de lécoulement Evolution temporelle du champ de température et de taux de disparition de combustible Topologie du champ de gouttes de kérosène liquide Evolution temporelle des jets de gouttes de kérosène liquide Topologie de la flamme et de sa richesse. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

16 DEFA/PRA - JDD Confrontation avec lexpérience Profils de température : emplacements des mesures Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

17 DEFA/PRA - JDD Confrontation avec lexpérience Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

18 DEFA/PRA - JDD Confrontation avec lexpérience Fraction volumique de suies (échelle arbitraire) mesures LII LES (champ moyen) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

19 DEFA/PRA - JDD Calcul du rayonnement Stratégie utilisée : Le même maillage est utilisé pour le calcul de lécoulement et pour celui du rayonnement. Restriction du domaine de calcul : Utilisation de la nouvelle fonctionnalité « domaines utilisateurs » de CEDRE domaines dans lesquels le rayonnement nest pas calculé domaine dans lequel le rayonnement est calculé Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

20 DEFA/PRA - JDD Calcul du rayonnement Premiers résultats sur un champ instantané LES Puissance radiative (W.m -3 ) : Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

21 DEFA/PRA - JDD Conclusions et perspectives Améliorations apportées à la simulation de la combustion : Cinétique corrigée qui permet de ne pas brûler à richesse trop élevée. Approche LES améliorant la modélisation du mélange entre le kérosène gazeux et lair. Comparaison du calcul aux mesures expérimentales : Les profils de température se rapprochent de lexpérience grâce aux améliorations apportées. La topologie de la répartition des suies dans la chambre est bien reproduite. Pistes damélioration des résultats : Application de la méthodologie sur la géométrie définitive de linjecteur ayant servi aux mesures. Prise en compte de leffet du rayonnement sur la combustion par la réalisation dun calcul couplé LES – rayonnement. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

22 DEFA/PRA - JDD Publications et formations suivies Publications dans des journaux à comité de lecture En cours de rédaction : Comptes Rendus de lAcadémie des Sciences, Soot formation and radiative transfer modelling in laminar premixed flames. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Assessment of RANS and LES approaches in a multi- point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. Prévues : Article en fin de thèse sur les résultats du couplage LES – rayonnement. Communications dans des congrès SFT 2009 (Société Française de Thermique). Simulation numérique des transferts couplés conduction-rayonnement au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel CIFEM 2010 (Colloque International Francophone dEnergétique et Mécanique). Modélisation et simulation numérique des transferts conductif et radiatif au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel IHTC-14 (International Heat Transfer Conference), A strategy for modeling soot formation and radiative transfer in turbulent flames. L.-H. Dorey, L. Tessé, N. Bertier, F. Dupoirieux ODAS 2011 (Onera-DLR Aerospace Symposium). Combustion and soot formation modelling in a multi-point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. Formations suivies Anglais (Ecole Centrale) Programmation parallèle MPI – OpenMP (CCRT) Rédaction du mémoire de thèse (ONERA)

23 DEFA/PRA - JDD Démarche de la thèse Modélisation de la formation des suies : Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le modèle semi-empirique de Leung Particules formées à partir dun précurseur issu de la décomposition du combustible Intégration de deux équations de transport supplémentaires Particules supposées sphériques et de taille constante Couplage combustion – rayonnement : Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de rayonnement Monte Carlo ASTRE Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE CHARME, parallélisé par domaines géométriques, transmet les champs de température et de fractions molaires despèces et de suies à ASTRE. ASTRE, parallélisé par chemins optiques, transmet les puissances radiatives à CHARME. Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE Plus de calculs pour moins de stockage Réduction du calcul du rayonnement à la zone dintérêt Allocations progressives pour réduire les pics doccupation mémoire Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

24 DEFA/PRA - JDD Calculs RANS Modifications apportées par la cinétique corrigée (PEA) Richesse équivalente des gaz fraisTaux de dégagement de chaleur (J.m -3.s -1 ) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion

25 DEFA/PRA - JDD Comparaison RANS - LES Champ de fraction massique de suies RANSLES (champ moyen) Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion


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