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Luc-Henry Dorey 3ème année DEFA/PRA Bourse ONERA

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Présentation au sujet: "Luc-Henry Dorey 3ème année DEFA/PRA Bourse ONERA"— Transcription de la présentation:

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

2 Plan Positionnement du problème
Contexte Objectifs scientifiques Démarche de la thèse Modélisation de l’écoulement 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 Contexte Les suies sont des particules indésirables :
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Contexte Les suies sont des particules indésirables : Nanoparticules nocives pour la santé Principal précurseur des traînées de condensation Dans les chambres de combustion :

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

5 Démarche de la thèse Modélisation de la formation des suies :
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion 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 d’un injecteur multipoint à swirl SNECMA L’un 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)

6 Application de la stratégie de calcul: la chambre TLC

7 Configuration de la chambre TLC
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Configuration de la chambre TLC Domaine de calcul :

8 Configuration de la chambre TLC
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion 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

9 Paramètres numériques
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion 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

10 Caractéristiques de la simulation
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Caractéristiques de la simulation Point de fonctionnement : Régime intermédiaire (phase de vol : approche) Pression chambre : 9,5 bar Température de l’air 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 10-6 s. Pour la LES : modèle TFLES et pas de temps de s. Phase dispersée : fragmentation secondaire à Weber 12 Schéma d’intégration temporelle Euler implicite

11 Comparaison RANS - LES Champ de température (K) RANS LES (champ moyen)
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Comparaison RANS - LES Champ de température (K) RANS LES (champ moyen)

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

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

14 Régimes de combustion Critère de Takeno corrélé au taux de réaction:

15 Topologie 3D de l’écoulement
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Topologie 3D de l’écoulement 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.

16 Confrontation avec l’expérience
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience Profils de température : emplacements des mesures

17 Confrontation avec l’expérience
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience

18 Confrontation avec l’expérience
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience Fraction volumique de suies (échelle arbitraire) mesures LII LES (champ moyen)

19 Calcul du rayonnement Stratégie utilisée :
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Calcul du rayonnement Stratégie utilisée : Le même maillage est utilisé pour le calcul de l’écoulement et pour celui du rayonnement. Restriction du domaine de calcul : Utilisation de la nouvelle fonctionnalité « domaines utilisateurs » de CEDRE domaine dans lequel le rayonnement est calculé domaines dans lesquels le rayonnement n’est pas calculé

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

21 Conclusions et perspectives
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion 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 l’air. Comparaison du calcul aux mesures expérimentales : Les profils de température se rapprochent de l’expérience grâce aux améliorations apportées. La topologie de la répartition des suies dans la chambre est bien reproduite. Pistes d’amélioration des résultats : Application de la méthodologie sur la géométrie définitive de l’injecteur ayant servi aux mesures. Prise en compte de l’effet du rayonnement sur la combustion par la réalisation d’un calcul couplé LES – rayonnement.

22 Publications et formations suivies
Publications dans des journaux à comité de lecture En cours de rédaction : Comptes Rendus de l’Académie 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 d’Energétique 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 Démarche de la thèse Modélisation de la formation des suies :
Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion 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 d’un 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 d’espèces 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 d’intérêt Allocations progressives pour réduire les pics d’occupation mémoire

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

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


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