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

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


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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 3 ème année DEFA/PRA Bourse ONERA. Plan.

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Presentation Transcript
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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

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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
contexte

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 :
objectifs de la th se

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
d marche de la th se

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)
configuration de la chambre tlc

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Configuration de la chambre TLC
  • Domaine de calcul :
configuration de la chambre tlc1

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

param tres num riques

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
caract ristiques 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 5.10-7 s.
    • Phase dispersée : fragmentation secondaire à Weber 12
    • Schéma d’intégration temporelle Euler implicite
comparaison rans les

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Comparaison RANS - LES
  • Champ de température (K)

RANS

LES (champ moyen)

comparaison rans les1

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Comparaison RANS - LES
  • Champ de vitesse axiale (m.s-1)

RANS

LES (champ moyen)

comparaison rans les2

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Comparaison RANS - LES
  • Champ de vitesse transversale (m.s-1)

RANS

LES (champ moyen)

r gimes de combustion
Régimes de combustion
  • Critère de Takeno corrélé au taux de réaction:
topologie 3d de l coulement

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.
confrontation avec l exp rience

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Confrontation avec l’expérience
  • Profils de température : emplacements des mesures
confrontation avec l exp rience1

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Confrontation avec l’expérience
confrontation avec l exp rience2

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Confrontation avec l’expérience
  • Fraction volumique de suies (échelle arbitraire)

LES (champ moyen)

mesures LII

calcul du rayonnement

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

calcul du rayonnement1

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Calcul du rayonnement
  • Premiers résultats sur un champ instantané LES
    • Puissance radiative (W.m-3) :
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.
publications et formations suivies
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), 2010. 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)
d marche de la th se1

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
calculs rans

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)

comparaison rans les3

Introduction

Modèles et méthodes

Résultats

Conclusion

Comparaison RANS - LES
  • Champ de fraction massique de suies

RANS

LES (champ moyen)

ad