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

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Presentation Transcript


Luc henry dorey 3 me ann e 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


Luc henry dorey 3 me ann e defa pra bourse onera

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)


Application de la strat gie de calcul la chambre tlc

Application de la stratégie de calcul:la chambre TLC


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)


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