Yann Moule 3e année DEFA/PRA Bourse ONERA 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 Sabel’nikov (ONERA) Encadrant ONERA: Vladimir Sabel’nikov

Plan Introduction au problème Démarche et déroulement de la thèse Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique Développement d’un modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

Plan Introduction au problème Démarche et déroulement de la thèse Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique Développement d’un modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

Contexte Dimensionnement système propulsif supersonique aérobie Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Contexte Dimensionnement système propulsif supersonique aérobie PREPHA, JAPHAR, LEA Besoin d’un outil numérique validé en soutien des moyens d’essai Délai d’allumage Rendement de combustion Flux thermique aux parois Perte de pression d’arrêt

Objectifs scientifiques Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Écoulement supersonique: temps de résidence faible Temps caractéristiques turbulent et chimique comparables (@Mach 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 d’Interaction Chimie-Turbulence (ICT) Effets du mélange turbulent Effets de cinétique chimique finie Valider ce modèle sur différents cas test représentatifs à l’aide du code CEDRE Améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans l’auto-allumage et la stabilisation d’une flamme en régime supersonique

Plan Introduction au problème Démarche et déroulement de la thèse Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique Développement d’un modèle ICT Cas test de validation Activités en cours Conclusions et perspectives Publications et modules de formation suivis

La couche de mélange réactive (1/2) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives La couche de mélange réactive (1/2) 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 d’une couche de mélange Ces poches en combustion intermittente jouent un rôle prépondérant dans l’auto- allumage et la stabilisation de la flamme. Effet de compressibilité Affecte le mélange Modifie la topologie de l’écoulement et donc le délai d’allumage Fully micromixed region Fuel Air U1 U2

La couche de mélange réactive (2/2) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives La couche de mélange réactive (2/2) 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 d’induction : - régime d'allumage brusque - régime d’allumage étalé Compétition entre : - effets de compressibilité - dissipation visqueuse - mélange turbulent - cinétique chimique Injecteur ONERA au banc LAERTE [1] “Self-Ignition of Hydrogen-Ethylene Mixtures in a Hot Supersonic Air Flow” P. Magre, V. Sabel’nikov (2002)

Mise en place d’un modèle ICT (1/4) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Développement d’un modèle d’Interaction Chimie – Turbulence (ICT) Les deux approches RANS et LES sont considérées Pour décrire correctement l’auto-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:

Mise en place d’un modèle ICT (2/4) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives 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 lK 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 Échange local entre * et ° ° * Maille de calcul * et τ* sont respectivement proportionnels à lK et K (RANS et LES) En LES k et Δ sont respectivement l’énergie de sous maille non résolue et la taille de maille En RANS k et l sont respectivement l’énergie cinétique turbulente et l’échelle intégrale de turbulence est le temps caractéristique chimique

Mise en place d’un modèle ICT – Approche RANS (3/4) Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Modèles spécifique à la modélisation RANS En plus de PaSR, spécifique à l’allumage Importance fluctuations de T DL à l’ordre 2 des termes sources chimiques en T Effets limité au phénomène d’allumage ( T < Tcritique ) Équation de transport pour la variance de T [2] Équation pour la variance de l’énergie Équation classique de scalaire [2] “Investigation Of An Assumed PDF Approach For Finite-Rate Chemistry” P. Gerlinger (2010)

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

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

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

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

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

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

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

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

Plan Introduction au problème Démarche et déroulement de la thèse Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction Définition d’un cas test représentatif Analyse physique du cas test Activités en cours: LES et étude expérimentale Conclusions et perspectives Publications et modules de formation

Conclusions et perspectives Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives État d’avancement: 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 21

Conclusions et perspectives Intro | Biblio | Analyse | En cours | 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

Plan Introduction au problème Démarche et déroulement de la thèse Contexte Objectifs scientifiques Démarche et déroulement de la thèse Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction Définition d’un cas test représentatif Analyse physique du cas test Activités en cours: LES et étude expérimentale Conclusion et perspectives Publications et modules de formation

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. Sabel’nikov, A. Mura Modules de formation: Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010) Ecole de Combustion (CNRS) (2010) Rédaction du mémoire de thèse (Onera) (2011)

Questions