Dissertations / Theses on the topic 'Simulation aux grandes échelles de tourbillons'
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Moldoveanu, Cristian-Emil. "Simulation aux Grandes Échelles de tourbillons longitudinaux soumis à une turbulence extérieure intense." Toulouse, INPT, 2007. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000696/.
Abstract:
Le but de cette thèse est d'étudier le comportement des tourbillons sous l'influence d'une turbulence extérieure. Les travaux portent tout d'abord sur les aspects concernant les tourbillons qui constitutent le sillage des avions. La validation des méthodes numériques utilisées est réalisée par comparaison entre les résultats théoriques et les résultats obtenus par simulation numérique d'un tourbillon solitaire. On a étudié le comportement d'un écoulement perturbé à l'intérieur ou à l'extérieur d'un tourbillon solitaire. L'étude de l'effet de la turbulence extérieure sur une paire de tourbillons longitudinaux contrarotatifs a mis en évidence la compétition entre l'instabilité elliptique et l'instabilité de Crow des tourbillons. Par l'étude des interactions d'une paire de tourbillons longitudinaux contrarotatifs au voisinage d'une paroi, on a mis en évidence le mécanisme de génération d'une couche de vorticité et le décollement des tourbillons au voisinage d'une paroiThe aim of this thesis is to study the behavior of the vortices under the influence of an external turbulence. We present the main mechanisms of instability, which is the basis of the counter-rotating vortices longitudinal decay. For the simulations we have selected the software JADIM developed by IMFT, adapted for Large Eddy Simulation of the turbulent flows. The validation of the numerical methods and of the software used, is made by comparing the theoretical and the numerical results of a single longitudinal vortex flow, in absence of external disturbances. We studied the behavior of a perturbed flow to the interior or to the exterior of a vortex. The study of the effect of the external turbulence on a counter-rotating longitudinal vortices pair highlighted the competition between elliptical and Crow instability. The simulation of the vortices pair in ground effect highlighted the generation mechanism of a vorticity layer and the generation of the secondary vortices
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Bénard, Pierre. "Analyse et amélioration d'une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles." Thesis, Rouen, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAM0018/document.
Abstract:
Réaliser un système de combustion à petite échelle reste aujourd’hui un défi. L’augmentation du rapport surface/volume favorise les pertes thermiques, contribue à la diminution du temps de séjour et limite la turbulence. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques intervenant dans un brûleur centimétrique tourbillonnaire de 8 x10 x 8 mm3 (millimètre cube) et mettre au point des outils numériques adaptés. L’écoulement réactif méthane/air est étudié au moyen de simulations numériques LES. La combustion ne consomme pas l’intégralité du carburant, entraînant un rendement de combustion de l’ordre de 50% et d’importantes émissions de polluants. Le deuxième objectif est d’adapter les performances de ce brûleur. L’enrichissement en hydrogène a montré une amélioration sensible du rendement et une réduction des émissions polluantes. Plusieurs configurations géométriques de la chambre ont aussi été étudiées, ce qui a permis de dégager des axes d’améliorationsDesigning a meso-scale combustion system remains a challenging scientific and technological issue. Increasing the surface-to-volume ratio promotes wall heat losses, reduces the residence time and turbulence intensity. The main objective of this thesis is to understand the physical phenomena involved in the centimetre-sized asymmetric whirl cubic burner of 8 x 10 x 8 mm3 (millimètre cube) and develop specific adapted numerical tools. The methane/air reactive flow is studied using detailed LES. While fuel and air are injected separately, combustion takes place in the premixed regime. However combustion is far from being complete, causing low combustion efficiency and significant emissions of pollutants. The second objective is to adapt in the best possible way the performances of this burner. Hydrogen enrichment of the fuel mixture showed significant efficiency enhancement and reduced pollutant emissions. Several other combustor geometries are also studied, paving the way for future improvement
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Grébert, Arnaud. "Simulation numérique aux grandes échelles du contrôle de l'interaction onde de choc/couche limite au moyen de micro-générateurs de vortex." Thesis, Toulouse, ISAE, 2018. http://www.theses.fr/2018ESAE0046.
Abstract:
L’interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente (IOCCL) est unesituation fréquemment rencontrée dans le domaine des écoulements compressibles d’intérêtapplicatif. L’IOCCL est le siège d’instationnarités à basse fréquence qui engendrent d’importantesfluctuations de pression pariétale et cette thèse s’intéresse à l’étude de dispositifs de contrôle passifde type micro-générateur de vortex (mVG) pour réduire, voire supprimer, ces effets indésirablesde l’IOCCL. Des simulations numériques aux grandes échelles (LES) ont été réalisées en sebasant sur une configuration expérimentale deWang et al. (2012) relative au contrôle de l’IOCCLpar des micro-rampes, avec un nombre de Mach de M = 2.7 et un nombre de Reynolds deRe× = 3600. L’utilisation de ces dispositifs de contrôle se traduit par une réorganisation de lazone de recirculation en brisant l’homogénéité dans la direction transverse de l’écoulement, eten induisant un changement au niveau du mouvement du pied de choc réfléchi qui présenteune zone d’excursion fortement impactée par le sillage des micro-rampes. Des simulationscomplémentaires portant sur trois nouvelles configurations de micro-rampes possédant descaractéristiques géométriques différentes de celle du cas de référence ont permis de dresser unbilan de l’efficacité de ces dispositifs sur le contrôle de l’IOCCL en confrontant l’effet de mVGsde taille réduite à celui de mVGs de taille plus conventionnelleBecause it is ubiquitous in high Mach number internal and external flow of interest in aeronauticalapplications, shock wave/turbulent boundary layer interaction (SBLI) is characterised by alow-frequency unsteadiness which generates large wall-pressure fluctuations that can occur at theresonant frequency of the structures. This work is devoted to the study of passive flow controldevices such as microramp vortex generators (mVGs) to alleviate these detrimental effects of SBLI.Large-eddy simulations (LES) have been performed based on an experimental configurationby Wang et al. (2012) of a SBLI under the influence of microramps at a Mach number ofM = 2.7 and a Reynolds number of Re× = 3600. The use of microramps has been shown toenable a reorganisation of the recirculation zone by breaking the spanwise homogeneity of theinteraction, yielding to a change of the reflected shock foot back and forth motion along the span.Additional simulations on three new configurations allowed to assess the effectiveness of microrampsin controlling the SBLI by comparing reduced size mVGs with more conventional ones
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Maurel, Stéphane. "Étude par imagerie laser de la génération et de la rupture d'un écoulement tourbillonnaire compressé : situation modèle pour la validation de simulations aux grandes échelles dans les moteurs." Toulouse, INPT, 2001. http://www.theses.fr/2001INPT035H.
Abstract:
Une étude par imagerie laser de la génération et de la rupture d'un écoulement tourbillonnaire compressé est présentée. Le cadre contractuel [. . . ] est un projet Européen Joule. Notre but est de construire et d'analyser une situation modèle pour la validation [. . . ] dans les moteurs. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des améliorations importantes de la mesure des conditions aux limites. Nous avons ainsi pu rassembler une base de données importante et fiable. Nous avons développé intégralement un nouveau logiciel PIV permettant un décalage itératif subpixel des mailles d'analyses. [. . . ] La précision absolue sur la mesure du déplacement est de l'ordre de 0,01 pixel. [. . . ] L'étude complète des phases d'admission et de compression est présentée. Une analyse des mécanismes de génération et de déstabilisation du tourbillon en terme de décomposition de Reynolds est d'abord proposée. [. . . ] Les effets de courbure et de décollement sont nets pendant l'admission. La déstabilisation du tourbillon pendant la compression est progressive. Deux zones décollées tridimensionnelles apparaissent. [. . . ] Par l'analyse des champs instantanés et l'utilisation de la POD, nous identifions bien les fluctuations de positions corrélées à grande échelle de la structure tourbillonnaire. Ces fluctuations s'amplifient au cours de la compression et sont de plus corrélées à des éjections de fluide vers les zones d'écoulements décollés de la chambre. Nous montrons ainsi que la déstabilisation du tourbillon fait intervenir plusieurs type d'instabilités (Instabilité elliptique mais aussi instabilité centrifuge). Des mesures en situation diphasique pour des conditions aux limites bien contrôlées sont également présentées. [. . . ] Nos mesures de vitesses moyennes et fluctuantes (longitudinales et radiales) sont en très bon accord avec les tendances prédites par la modélisation diphasique Eulérienne. [. . . ]
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Lumet, Eliott. "Évaluation et réduction des incertitudes pour la simulation numérique de la dispersion atmosphérique à micro-échelle." Electronic Thesis or Diss., Université de Toulouse (2023-....), 2024. http://www.theses.fr/2024TLSES003.
Abstract:
La qualité de l'air est fortement dégradée lors d'évènements comme les accidents industriels au cours desquels des gaz et des particules néfastes sont libérées dans l'atmosphère et transportées sous l'effet du vent. En milieu urbain, les bâtiments ont un effet de blocage sur l'écoulement ce qui peut entraîner des pics de pollution et donc des risques à court terme pour la santé et l'environnement. Localiser ces pics nécessite de recourir à des modèles résolvant les équations fondamentales de la physique des écoulements et leurs interactions avec le milieu bâti. Malgré leur complexité, ces modèles présentent des incertitudes notamment liées aux conditions atmosphériques. Cette thèse vise à construire et valider un système de modélisation permettant d'estimer ces incertitudes et d'identifier les scénarios possibles de dispersion, en s'appuyant sur des outils venant de l'apprentissage statistique et en informant le modèle à partir d'observations in-situAir quality is severely degraded during events such as industrial accidents. Harmful gases and particles are released into the atmosphere and carried by the wind. In built environments, these pollutants can lead to local pollution peaks due to buildings blocking the flow, resulting in short-term health and environmental risks. Locating these peaks requires the use of models solving the fundamental equations of fluid dynamics and their interactions with the built environment. Despite their complexity, these models are subject to uncertainties that are partly linked to atmospheric conditions. The aim of this thesis is to build and validate a modeling system able of estimating these uncertainties and identifying possible dispersion scenarios. This is achieved by using tools derived from statistical learning and by informing the model with in-situ observations
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Pinon, Grégory. "Modélisation numérique de jets transverses : application aux cas des inverseurs de poussée d'un avion en phase d'atterrissage." Le Havre, 2005. http://www.theses.fr/2005LEHA0057.
Abstract:
Cette étude a pour but de prédire les trajectoire de jets issus des inverseurs de poussée. Ces dispositifs équipent les avions et génèrent une contre-poussée qui permet de freiner l'appareil lorsque celui-ci est au sol en phase d'atterrissage. L'écoulement sort des inverseurs de poussée sous forme de jet. Un tel écoulement est complexe et s'étend sur une grande distance. Nous avons alors opté pour la méthode particulaire de type « Vortex Blob ». Le domaine d'étude est infini, la résolution est instationnaire et la discrétisation limitée aux zones rotationnelles. Celles-ci se retrouvent sous forme de particules porteuses d'une information tourbillonnaire que l'on suit dans leur mouvement de manière lagrangienne. Dans un premier temps, nous passons en revue tous les types d'écoulement de jet et nous ressortons les principales caractéristiques, notamment pour l'écoulement de jet à buse débouchant dans un écoulement transverse où une paire de tourbillons contra-rotatifs apparaît et persiste loin en aval. L'activité tourbillonnaire est intense et l'évolution du jet varie selon le rapport d'injection du jet (vitesse du jet rapporté à la vitesse de l'écoulement transverse). Nous abordons ensuite l'aspect numérique de l'étude présentant la méthode particulaire. Nous utilisons une méthode particulaire tridimensionnelle à laquelle nous avons adapté un algorithme rapide de type « Tree code », un remmaillage global de l'écoulement ainsi qu'un schéma de diffusion de type « Particle strength Exchange » qui peut prendre en compte un modèle de Simulation des Grandes Échelles (SGE). Le code est de plus entièrement parallélisé grâce aux librairies MPI. Puis, nous traitons de manière académique les simulations de jets transverses. Nous observons et étudions l'évolution des structures tourbillonnaires existantes dans de tels écoulements en fonction du rapport d'injection du jet, d'une variation temporelle de la vitesse initiale du jet, etc. . . Dans un dernier temps, nous présentons une méthode hybride de couplage entre des simulations eulériennes et nos simulation lagrangiennes pour traiter des cas industriels. Après une validation de ce méthode de couplage avec décomposition de domaine, nous présentons des simulation complètes d'un avion en phase d'atterrissage. Enfin, nous mettons en évidence un cas de ré ingestion déjà observé expérimentalement en soufflerieThe aim of this PhD study is to predict the thrust reversers jets trajectories. These devices equip the aircrafts and produce opposite thrust, which brakes the aircraft in landingphase. The flow is ejected from the thrust reversers in a jet like form. This flow is complex and the mains characteristics are present even on a long distance from the nozzle's exit. For this study, we chose the vortex method more especially its « vortex blob » version. The resolution is unsteady and the discretisation is confined to the vortical zones. These zones are represented by vortex particles, carrying vortical information and followed in the flow in a lagrangian way. First, we make a short review of most jet like flows and we focus on their main characteristics, especially form jet issuing from a nozzle into a crossflow, where a contra-rotating vortex pair appears and is long-lived. Vortical structures are numerous in these kind of flow and they mostly depend on the injection ratio (ratio of the jet velocity compared to crossflow velocity). Secondly, treat the numerical aspects of the vortex method method. We use a three-dimensional Vortex Blob method, on which we have implemented a « Tree code » algorithm, a global reggridding of the flow and a « Particle strength Exchange » diffusion scheme, which unables us to use a Large Eddy Simulation (LES) model. On top of that, the whole code is parallelised using the MPI libraries. Then, we present some academical results of crossflow jet simulations. Nous study the temporal evolution of the vortical structures depending on the injection ratio, the temporal evoltion of the jet exit velocity, etc. . . Finally, we present a new hybrid method which couples eulerian simulations to our langrangian simulations in order to treat the industrial flow configurations. After some validation aspects of the new hybrid method with domain decomposition, we present several « complete » simulations of an aircraft in a landing phase. Finally, we are able to distingish re-ingestion case as they were experimentally obersed during wind tunnel testings
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Guedot, Lola. "Développement de méthodes numériques pour la caractérisation des grandes structures tourbillonnaires dans les brûleurs aéronautiques : application aux systèmes d'injection multi-points." Thesis, Rouen, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAM0017/document.
Abstract:
La réduction des émissions polluantes des turboréacteurs nécessite une plus grande maîtrise du dimensionnement du système d’injection du mélange air-carburant au sein de la chambre de combustion.L’objectif de la thèse est d’améliorer la compréhension de la dynamique des écoulements swirlés, rencontrés dans les chambres aéronautiques. La simulation aux grandes échelles, qui exploite les super-calculateurs les plus puissants, est devenue un outil d’analyse incontournable. Cependant, la taille des simulations et le volume de données générées rendent difficile l’extraction des phénomènes à grande échelle. A cette fin, de nouvelles méthodes de post-traitement parallèles qui permettent d’accéder à l’évolution temporelle des structures tourbillonnaires dans des géométries complexes sont proposées.Ces méthodes sont appliquées à l’étude de la dynamique de flammes swirlées diphasiques dans lesquelles les structures cohérentes interagissent avec la zone réactive et le brouillard de gouttesThe reduction of pollutant emissions of aeronautical devices requires to optimize the design of the injection systems in the combustion chamber. The objective of this work is to improve the understandingof the flow dynamics in swirl stabilized burners. Large Eddy Simulation has become a major tool for the analysis of such flows. The steady increase in computational power enables to perform high-fidelity simulations, that generates a large amount of data, making it difficult to extract relevant information regarding the large scale phenomena. To this aim, massively parallel post-processing methods, suited for complex geometries, were developed in order to extract large-scale structures in turbulent flows. These methods were applied to simulations of spray flames in swirl burners, to get a better insight of how the large scale structures interact with the flame topology and the spray dynamics
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Séverac, Eric. "Simulation des grandes échelles de haute précision d'écoulements tournants avec parois." Aix-Marseille 3, 2008. http://www.theses.fr/2008AIX30024.
Abstract:
Une méthode tridimensionnelle pseudo spectrale de Simulation des Grandes Échelles (LES), utilisant une Viscosité Spectrale Évanescente (SVV) est développée pour étudier un écoulement tournant en régime turbulent avec parois. Cette technique SVV est tout d'abord validée en montrant qu'elle conserve la précision de notre approximation spectrale. Puis une étude rotorstator est faite. Tout d'abord elle est confrontée avec la DNS à bas nombre de Reynolds. Puis à plus grand nombre de Reynolds (de 10^5 à 10^6), l'étude produit une description détaillée des structures, des caractéristiques, et des quantités turbulentes de l'écoulement et de ses couches limites. Ces résultats sont comparés très favorablement avec la littérature et avec une expérience réalisée dans des conditions identiques. L'ensemble de ces résultats montrent que la SVV, associée à une approximation d'ordre élevé, permet de réaliser des calculs LES d'écoulements complexes pour lesquels les approches classiques échouentFully three-dimensional Large Eddy Simulation (LES) is developed with spectral approximation using a Spectral Vanishing Viscosity (SVV) technique. The SVV is first shown to keep the accuracy of the approximation. Secondly, turbulent flows are studied in an actual enclosed rotor-stator configuration. At low Reynolds number, we use a Direct Numerical Simulation (DNS) as reference. Then at Higher Reynolds number (from 10^5 to10^6), we provide detailed data on the flow and its boundary layer, including structures, physical properties, and statistical data. The results are favorably compared with the literature and an experiment conducted on an identical apparatus. We conclude that the SVV, coupled with a high order approximation, succeed in computing LES of complex flows when classical LES models fail
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Albouze, Guillaume. "Simulation aux grandes échelles des écoulements réactifs non prémélangés." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://oatao.univ-toulouse.fr/7796/1/albouze.pdf.
Abstract:
La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.
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Quillatre, Pierre. "Simulation aux grandes échelles d'explosions en domaine semi-confiné." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2014. http://oatao.univ-toulouse.fr/11851/1/quillatre.pdf.
Abstract:
Dans le contexte actuel de croissance continue de la demande mondiale en combustible fossile, la sécurité de la production, du transport, ainsi que du stockage de l'énergie est un défi majeur de ce début de XXIème siècle. Les produits manipulés étant extrêmement volatils et inflammables, les éventuelles fuites qui peuvent survenir malgré les lourdes mesures de sécurité mises en place, peuvent engendrer des explosions désastreuses. Il existe donc un fort besoin d'être capable de prédire ces explosions afin de limiter les dégâts potentiels et d'assurer la sécurité des personnes et des biens. Dans cette optique, l'augmentation régulière des puissances de calcul permet à la CFD (Computational Fluid Dynamics) de se présenter comme une alternative intéressante aux expériences qui peuvent s'avérer couteuses et dangereuses. Les explosions sont des phénomènes multi-physiques qui sont principalement dirigés par la turbulence et la combustion et qui prennent place sur une très large gamme d'échelles nécessitant ainsi d'être modélisées. Aujourd'hui, des codes basés sur une approche URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont généralement utilisés afin de simuler des explosions de gaz dans des configurations à échelle industrielle. Cependant, l'émergence de la LES (Large Eddy Simulation), qui a déjà montré son potentiel à donner des prédictions plus fiables que le URANS sur des configurations instationnaires complexes, ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine de la sécurité explosion. Le but principal de cette thèse est d'évaluer l'apport des méthodes LES et de développer une méthodologie pour la prédiction des phénomènes réactifs turbulents transitoires que sont les explosions. Tout au long de cette étude, un intérêt particulier a été porté à l'approfondissement de la compréhension des phénomènes d'explosion ainsi qu'à la mise en valeur des points cruciaux de modélisation qui permettent une reproduction correcte des phénomènes considérés. Notre approche peut alors se résumer en deux temps : - Dans un premier temps nous nous sommes concentrés sur l'étude LES des déflagrations dans une chambre de combustion de petite échelle : la configuration expérimentale de l'Université de Sydney. La LES associée à un modèle de flamme épaissie a ainsi été appliquée à cette configuration à l'aide du code AVBP (développé par le CERFACS et l'IFP-EN) et a permis de mettre en place une méthodologie de calcul. Une étude de Quantification d'Incertitude (UQ) a ensuite été réalisée sur ces simulations afin d'évaluer la fiabilité de ces résultats, ce qui est primordial dans ce contexte d'étude de sécurité. - Dans un second temps, le but a été d'extrapoler les résultats obtenus sur la configuration de petite échelle à des configurations de plus grande échelle, plus représentatives des configurations industrielles réelles de plateformes pétrolières ou de dépôts de carburants qui constituent l'objectif final visé. Une campagne expérimentale a ainsi été lancée afin de construire des répliques de la configuration de Sydney à des échelles plus importantes et de les étudier numériquement grâce à la méthodologie LES mise en place sur la configuration de petite échelle. Afin de replacer notre étude dans le contexte actuel et de le relier à l'état-de-l'art en matière d'étude de risque d'explosions, d'autres calculs de ces configurations d'explosion ont été réalisés en parallèle de l'étude LES, premièrement avec un code phénoménologique développé dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'avec le code URANS FLACS. Ceci a permis de mettre en évidence leurs limitations ainsi que l'apport de la LES pour ce type d'étude.
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Chesnel, Jeremy. "Simulation aux Grandes Échelles de l'Atomisation, Application à l'Injection Automobile." Phd thesis, Université de Rouen, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00604870.
Abstract:
L'injection liquide est un processus important dans beaucoup d'applications industrielles et plus spécifiquement au sein des moteurs à combustion. Beaucoup de méthodes RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ont été développées, dans le cas de l'atomisation, aussi bien en utilisant le formalisme Lagrangien que Eulérien. Cependant, les simulations LES (Large Eddy Simulation) sont connues pour être plus précises et mieux représenter les phénomènes physiques dans le cas monophasique. Développer la LES pour le cas diphasique est donc naturellement une étape nécessaire à franchir. Cependant, la simulation de l'atomisation requiert un traitement spécial de l'interface. Deux cas limites sont traités dans la littérature : - L'interface peut être bien capturée par le maillage. A ces endroits la LES doit rejoindre les résultats de méthodes classiques utilisées en DNS comme les méthodes VOF ou level-set. Ceci est une approche nécessaire proche injecteur. - Le maillage ne permet plus de suivre fidèlement l'interface, lors de la création de plissements inférieurs à la taille d'une maille. Dans ce cas le calcul doit reproduire les résultats d'une LES considérant des structures et des gouttes inférieures à la taille de la maille. Cette approche est nécessaire loin de l'injecteur dans la zone dispersée. C'est dans ce cadre que le travail réalisé durant cette thèse s'articule : Le développement d'un modèle LES d'atomisation capable de passer continument d'une méthode à l'autre. La mise en œuvre de ce modèle a permis d'obtenir des résultats dans une configuration proche de l'injection Diesel, qui sont alors comparés à une base de données DNS.
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Boileau, Matthieu. "Simulation aux grandes échelles de l'allumage diphasique des foyers aéronautiques." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00282523.
Abstract:
L'allumage ou le rallumage d'une turbine à gaz dans une atmosphère froide et raréfiée est un problème crucial pour les constructeurs aéronautiques. Le but de cette thèse est de développer une méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier la combustion et l'allumage dans les géométries réalistes de foyers aéronautiques. L'approche théorique instationnaire prend en compte les caractéristiques essentielles de ces phénomènes en réalisant le couplage entre les modèles de turbulence, de dispersion du spray de carburant et de combustion. L'outil LES est validé dans des cas académiques puis appliqué à une configuration réaliste de foyer d'hélicoptère comportant 18 secteurs identiques. Le régime stationnaire et la séquence d'allumage d'un secteur isolé sont d'abord analysés. Grâce au calcul massivement parallèle, l'étude est ensuite étendue à l'allumage complet des 18 secteurs, apportant un éclairage nouveau sur la physique du phénomène.
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Defransure, Fabien. "Simulation aux grandes échelles de la combustion en charge stratifiée." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2004. http://www.theses.fr/2004ECAP0970.
Abstract:
Rge stratifiée par injection directe d'essence. Le moteur peut fonctionner avec un mélange globalement pauvre et la combustion se développe dans un milieu de richesse variable. Pour répondre aux besoins de compréhension physique du développement de la combustion dans de tels milieux, une Action de Recherche Concertée (ARC) " combustion en charge stratifiée " a été créée et regroupe des actions expérimentales et numériques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de la combustion dans les milieux de richesse variable. Elle est basée sur la simulation aux grandes échelles. Le modèle de combustion choisi est le modèle de flamme épaissie implanté dans le code AVBP. Il a d'abord été testé sur un cas académique de flamme rencontrant une hétérogénéité de richesse. Devant sa relative défaillance à reproduire l'effet de l'hétérogénéité sur la propagation de la flamme, des évolutions ont été proposées. Elles permettent de mieux la décrire et fournissent une description plus physique de la composition des gaz brûlés. Les simulations des expériences de l'ARC montrent la capacité du modèle à reproduire des phénomènes propres aux flammes stratifiées comme la poursuite de la réaction alors que la richesse rencontrée est sous la limite d'inflammabilité pauvre. La simulation de la configuration en " bombe " montre aussi la prise en compte naturelle par le modèle des effets de pression sur la vitesse de flamme. Ce modèle semble donc un bon candidat à la description de la combustion dans les moteurs, qu'ils fonctionnent ou non en charge stratifiéeN order to reduce greenhouse gas and pollutants emissions, car manufacturers investigate new combustion processes such as stratified load combustion by gasoline direct injection. The engine can work with a globally poor mixture and the flame propagates into an heterogeneous mixture where the equivalence ratio is variable. To answer to the need of physical understanding of flame propagation into such heterogeneous mixture, a Research Action called ``Stratified load combustion" has been created where numerical and experimental actions have been carried out. This work belongs to this research action and is devoted to the modelling of combustion in heterogeneous mixture. It is based on large eddy simulation (LES). The combustion model used is the artificially thickened flame model. This model has been first tested on an academic case of a laminar stratified flame. Because it didn't correctly describe stratified flame propagation, some evolutions of the model have been proposed and provided a better description of the flame propagation and burnt gases composition. All the simulations carried out on the experiments of the Research Action have showed the capacity of the thickened flame model to reproduce specific phenomena of a stratified flame such as the continuation of combustion even though the equivalence ratio met by the flame front is under the poor extinction limit. Moreover, the capacity of the model to naturally take into account pressure effects on flame speed has been exposed. That's why the artificially thickened flame model appears to be a good candidate to describe combustion in engines as well as for stratified load combustion as for homogeneous combustion
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El, Shrif Ali. "Contrôle optimal par simulation aux grandes échelles d'un écoulement turbulent." Thesis, Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2008. http://www.theses.fr/2008INPL035N/document.
Abstract:
Deux stratégies de contrôle ont été successivement mises en œuvre pour réduire la traînée et l’énergie cinétique turbulente d’un canal plan en régime turbulent (Re[tau]=180) par soufflage/aspiration aux parois. L’objectif principal était de prouver qu’une simulation aux grandes échelles (LES) pouvait être utilisée de manière pertinente comme modèle réduit des équations de Navier-Stokes et ainsi diminuer fortement les coûts numériques. Une approche heuristique dite de contrôle par opposition a d’abord été employée. Les résultats montrent que l'efficacité énergétique est maximale pour une position du plan de détection différente de celle qui correspond au maximum de réduction de traînée. Par ailleurs, nos résultats confirment que la réduction de traînée diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Par la suite, une procédure de contrôle optimal a été utilisée en considérant différentes fonctionnelles objectif (traînée, énergie cinétique au temps terminal, énergie cinétique moyen). Pour Re[tau]=100, le contrôle est parvenu à relaminariser complètement l’écoulement (réduction de traînée de l'ordre de 50 %) en prenant comme fonctionnelle coût l’énergie cinétique au temps terminal. Pour cette même fonctionnelle coût, une réduction importante de traînée de l'ordre de 55 % est encore obtenue à Re[tau] =180 mais sans atteindre la relaminarisation. Nos résultats confirment que pour minimiser la traînée de l’écoulement, il est plus efficace de considérer comme objectif l’énergie cinétique que directement la traînée. Enfin, il est essentiel pour la convergence de la minimisation que le système optimal soit résolu sur un horizon temporel suffisamment longTwo control strategies were successively implemented to reduce the drag and the turbulent kinetic energy of a plane channel flow in turbulent regime (Re[tau]=180). Wall transpiration (unsteady blowing/suction) with zero net mass flux is used as the control. The main objective was to prove that a large eddy simulation (LES) could be relevant as a reduced-order model of the Navier-Stokes equations and thus strongly reduce the numerical costs. A heuristic approach known as opposition control was initially employed. The results show that the energetic efficiency is maximum for a position of the detection plane different from that which corresponds to the maximum of drag reduction. In addition, our results confirm that the drag reduction decreases with the increase of the Reynolds number. Then, an optimal control procedure was used by considering different cost functional (drag, terminal turbulent kinetic energy, mean turbulent kinetic energy). At Re[tau] =100, control managed to fully relaminarize the flow (drag reduction of about 50%) by considering as cost functional the terminal kinetic energy. For this same cost functional, an important drag reduction of about 55% is still obtained at Re[tau] =180 but without reaching the relaminarization. Our results show that to minimize the flow drag, it is more effective to consider the kinetic energy as cost functional than directly the drag. Lastly, it is essential for the convergence of the minimization that the optimality system is solved on a sufficiently long time horizon
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Özel, Ali. "Simulation aux grandes échelles des lits fluidisés circulants gaz-particule." Thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://www.theses.fr/2011INPT0090/document.
Abstract:
Les simulations numériques des équations d’Euler deux-fluides réalisé sur des maillages grossiers éliminent les structures fins d’écoulement gaz-solide dans les lits fluidisés. Pour précisément estimer l’hydrodynamique globale de lit, il faut proposer une modélisation qui prend en compte les effets de structure non-résolue. Dans ce but, les maillages sont raffinés pour obtenir le résultat de simulation pleinement résolue ce que les grandeurs statistiques ne modifient plus avec un autre raffinement pour le lit fluidisé périodique dilué gaz-particules sur une géométrie 3D cartésienne et ce résultat est utilisé pour tests "a priori". Les résultats de tests "a priori" montrent que l’équation filtrée de la quantité de mouvement est effectuée mais il faut prendre en compte le flux de la fraction volumique de solide de sous-maille en raison de l’interaction locale de la vitesse du gaz et la fraction volumique de solide pour la force traniée. Nous proposons les modèles fonctionnels et structurels pour le flux de la fraction volumique de solide de sous-maille. En plus, les modèles fermetures du tenseur de sous-maille de la phase dispersée sont similaires aux modèles classiquement utilisés en écoulement turbulent monophasique. Tous les modèles sont validés par test "a priori" et "a posteriori"Eulerian two fluid approach is generally used to simulate gas-solid flows in industrial circulating fluidized beds. Because of limitation of computational resources, simulations of large vessels are usually performed by using too coarse grid. Coarse grid simulations can not resolve fine flow scales which can play an important role in the dynamic behaviour of the beds. In particular, cancelling out the particle segregation effect of small scales leads to an inadequate modelling of the mean interfacial momentum transfer between phases and particulate shear stresses by secondary effect. Then, an appropriate modelling ac counting for influences of unresolved structures has to be proposed for coarse-grid simu-lations. For this purpose, computational grids are refined to get mesh-independent result where statistical quantities do not change with further mesh refinement for a 3-D peri-odic circulating fluidized bed. The 3-D periodic circulating fluidized is a simple academic configuration where gas-solid flow conducted with A-type particles is periodically driven along the opposite direction of the gravity. The particulate momentum and agitation equations are filtered by the volume averaging and the importance of additional terms due to the averaging procedure are investigated by budget analyses using the mesh independent result. Results show that the filtered momentum equation of phases can be computed on coarse grid simulations but sub-grid drift velocity due to the sub-grid correlation between the local fluid veloc- ity and the local particle volume fraction and particulate sub-grid shear stresses must be taken into account. In this study, we propose functional and structural models for sub- grid drift velocity, written in terms of the difference between the gas velocity-solid volume fraction correlation and the multiplication of the filtered gas velocity with the filtered solid volume fraction. Particulate sub-grid shear stresses are closed by models proposed for single turbulent flows. Models’ predictabilities are investigated by a priori tests and they are validated by coarse-grid simulations of 3-D periodic circulating, dense fluidized beds and experimental data of industrial scale circulating fluidized bed in manner of a posteriori tests
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Bouheraoua, Lisa. "Simulation aux grandes échelles et modélisation de la combustion supersonique." Thesis, Rouen, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAM0022/document.
Abstract:
Le travail de cette thèse est consacré à la simulation aux grandes échelles (LES) et à la modélisationde la combustion supersonique, dont l’application est rencontrée dans les moteurs detype scramjet. Dans ce contexte, une étude LES appliquée au cas d’une flamme supersoniquehydrogène-air (flamme de Cheng) a été effectuée sur trois niveaux de raffinements de maillage.Les résultats en termes de profils moyens et fluctuations de composition et de température sontconfrontés aux mesures expérimentales, et l’impact du raffinement de maillage est établi. Parailleurs, à partir des données issues de cette étude LES, une modélisation de la combustionturbulente dans un milieu fortement compressible est proposée sur la base d’une approche tabuléede la chimie. Une analyse temporelle des interactions choc/flamme a ensuite été menée,permettant de mettre en évidence la présence de structures transitoires ayant une influence surles processus de stabilisation de la flammeThis PhD study is focused on the large eddy simulation (LES) and on the modelisation of supersonic combustion as encountered in scramjet types engines. In this context, a LES study was performed for an hydrogen-air supersonic flame (Cheng’s flame) with three mesh refinement levels. The results obtained for mean and fluctuations of composition and temperature are compared to experimental measurements, and the impact of the grid resolution is established. Moreover, a modelisation of turbulent combustion in highly compressible flows is proposed based of tabulated chemistry approach. An analysis of the dynamics of shock/flame interaction was then conducted, and the presence of transient structures, which impact the flame stabilisation processes, was emphasized
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Chesnel, Jérémy. "Simulation aux grandes échelles de l'atomisation : application à l'injection automobile." Rouen, 2010. http://www.theses.fr/2010ROUES021.
Abstract:
L'injection liquide est un processus important dans beaucoup d'applications industrielles et plus spécifiquement au sein des moteurs à combustion. Beaucoup de méthodes RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ont été développées, dans le cas de l'atomisation, aussi bien en utilisant le formalisme Lagrangien que Eulérien. Cependant, les simulations LES (Large Eddy Simulation) sont connues pour être plus précises et mieux représenter les phénomènes physiques dans le cas monophasique. Développer la LES pour le cas diphasique est donc naturellement une étape nécessaire à franchir. Cependant, la simulation de l'atomisation requiert un traitement spécial de l'interface. Deux cas limites sont traités dans la littérature : - L'interface peut être bien capturée par le maillage. À ces endroits la LES doit rejoindre les résultats de méthodes classiques utilisées en DNS comme les méthodes VOF ou level-set. Ceci est une approche nécessaire proche injecteur. - Le maillage ne permet plus de suivre fidèlement l'interface, lors de la création de plissements inférieurs à la taille d'une maille. Dans ce cas le calcul doit reproduire les résultats d'une LES considérant des structures et des gouttes inférieures à la taille de la maille. Cette approche est nécessaire loin de l'injecteur dans la zone dispersée. C'est dans ce cadre que le travail réalisé durant cette thèse s'articule : le développement d'un modèle LES d'atomisation capable de passer continument d'une méthode à l'autre. La mise en œuvre de ce modèle a permis d'obtenir des résultats dans une configuration proche de l'injection Diesel, qui sont alors comparés à une base de données DNSLiquid injection takes an important part in many physical processes, especially within internal combustion engine (ICE). Up to know the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach has been widely used, both in Eulerian and Lagrangian framework. Several works on atomization have been done in our team developing the ELSA model. However, LES of atomization seems to be a necessarily step forward. In addition to standard LES method for turbulent flows, a special attention is necessarily to represent the interface. Two limit cases have to be considered : - The liquid surface can be well captured with the available mesh size (or filter size) then the LES formulation must recover the DNS methods used to track the interface (such as Level Set or VOF). -The liquid surface wrinkles size are smaller than the mesh size and the two-phase LES formulation must recover the LES used for spray where finally droplets are considered very small by comparison to the mesh size. In this work we present a LES method for two phase flow that can recover these two limits. It is shown that the unresolved SGS (Sub Grid Scale) term that appears in the phase function equation plays an important role, even if it is very small by comparison to the resolved contribution. Application of this method to the atomization of a Diesel jet is presented. LES results are then compared to a DNS data base
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Lamalle, Damien. "Simulations aux grandes échelles de panaches libre et impactant." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2014. http://www.theses.fr/2014ECDL0048/document.
Abstract:
Lors des études de désenfumage, le recours à la mécanique des fluides numérique, par l’emploi de codes tridimensionnels (CFD), est de plus en plus employé. Cependant, suite aux études de Dalmarnock (2007) et d’Arcueil (2009), il a été montré que les résultats numériques peuvent s’éloigner de façon significative des résultats expérimentaux. Ces différences peuvent être notamment induites par des faibles erreurs de certains paramètres clés, ce qui limite l’utilisation prédictive de ces codes dans les études d’ingénierie de la sécurité incendie. Dans ce cadre, cette thèse est consacrée à la simulation numérique d’écoulement induit par une source de chaleur. Les simulations sont réalisées avec le code FDS, largement utilisé par la communauté incendie, afin d’étudier sa capacité à reproduire la dynamique de ces écoulements. L’étude se porte principalement sur la simulation d’un panache, créé par une plaque chauffante, avec une comparaison détaillée à des résultats expérimentaux. Les résultats des simulations montrent que, les profils radiaux des statistiques en un point de vitesse et température d’ordre 1 et 2, sont en très bon accord avec les résultats de la littérature. Les évolutions des flux de masse, de flottabilité et de quantité de mouvement, ainsi que celle du nombre de Richardson du panache, sont également bien reproduites. Après avoir validé la simulation, l’évolution du coefficient d’entraînement avec la hauteur a pu être examinée en détail, montrant que ce coefficient diminue en s’éloignant de la source de chaleur, passant de 0.4 en partie proche de la source à 0.1 en partie éloignée. Cette évolution a pu être expliquée par une dépendance du coefficient d’entraînement avec le nombre de Richardson local du panache et le rapport des masses volumiques entre le panache et l’air ambiant. La thèse a également permis de montrer que les variables étudiées sont sensibles à différents modèles de sous maille. Pour finir, une méthodologie a été proposée pour étudier la sensibilité de différents paramètres d’entrée de simulation et appliquée sur un cas réaliste d’incendie dans un bâtiment. Cette analyse a permis de mettre en évidence plusieurs paramètres explicites (paramètres définis en concertation avec le propriétaire du bâtiment, les services d’incendie et les autorités compétentes) qui modifient les résultats de la simulation : la puissance du foyer, le débit d’extraction des gaz chauds, mais également certains paramètres implicites (paramètres définis par le modélisateur) comme le débit d’insufflation au niveau des entrées d’air fraisFire Safety Engineering studies often rely on the use of Computational Fluid Dynamics, but several recent studies (e.g. Dalmarnock 2007, Arcueil Numérique 2009) have highlighted significant differences between experimental data and the results of numerical simulations. The numerical models are often rather sensitive to the choice of boundary conditions, and may depend on key parameters which are poorly understood. The research presented in this thesis addresses some of these questions, using the CFD code FDS to simulate a set of experimental test cases, and to test the sensitivity of the simulations to different input parameters. The general configuration studied is that of a thermal plume generated by a heated plate, either rising freely or else impacting on a ceiling. Radial profiles of 1st and 2nd order statistics of temperature and velocity agree well with published data, as does the axial variation of Mass, Momentum and Buoyancy fluxes, and the local Richardson number. A detailed study of the entrainment coefficient shows that this varies with distance from the heat source, between about 0.4 and 0.1; this is explained by the dependence of entrainment on the local Richardson number and the density difference between the plume and the ambient air. The comparison between simulations has also been used to investigate the applicability of different sub-grid scale models for this type of flow. Finally, a methodology has been developed for evaluating the sensitivity of the calculations to different input parameters, and the method has been applied to a test configuration representing a fire in a building. The results show the relative importance of both explicitly-defined parameters that characterize the situation (thermal power of the fire, ventilation regime inside the building) and implicit model parameters
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Roux, Benjamin. "Couplage entre simulation système et simulation aux grandes échelles pour la simulation multi-échelles de moteurs à combustion interne." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066633/document.
Abstract:
La réduction des émissions de dioxyde de carbone et de polluants réglementés (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules...) dans les moteurs à allumage commandé est possible via l'apport de nouvelles technologies comme le downsizing, l'injection directe, la suralimentation, etc... Toutefois, les gains apportés par ces technologies, qui complexifient grandement le groupe motopropulseur, sont réduits du fait qu'elles induisent aussi une augmentation de l'intensité de certains phénomènes tels que les variations cycliques de la combustion (VCC) ou les combustions anormales. La compréhension de ces phénomènes est une clé dans l'amélioration des futurs moteurs à essence. L'objectif principal de cette thèse est de permettre la modélisation des phénomènes transitoires et acycliques dans des moteurs à structure de plus en plus complexe grâce au développement, à la validation puis à l'application d'une méthode de couplage entre la simulation aux grandes échelles (SGE ou LES pour Large-Eddy Simulation en anglais) et la simulation système. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer qu'il est possible de simuler une configuration moteur et d'en étudier les comportements transitoires en 3D tout en prenant en compte la dynamique de tous les composants du moteur. Les simulations obtenues par cette approche pour le moteur du projet ANR SGEmac ont été comparées avec succès aux résultats expérimentaux et à des simulations tridimensionnelles : ces résultats constituent la dernière étape de validation du couplage et démontrent sa capacité à simuler des systèmes moteurs complets. Les codes couplés développés sont ensuite appliqués à l'étude des transitoires de charge et de régime pour le moteur du projet ANR ASTRIDE. La comparaison simulation/expérience montre que le solveur couplé permet bien de remplir les objectifs fixés de simulation des VCC et des transitoiresThe decrease of greenhouse gases and pollutant emissions (nitrous oxides, carbon oxides, particles...) for spark ignited engines goes through the development of new technologies such as direct injection, turbocharging, downsizing, etc. However, the benefits of these technologies, which complexify the engines, are limited by the phenomena they intensify such as Cyclic Combustion Variability (CCV) and abnormal combustions. A thorough understanding of these phenomena is a cornerstone for the improvement of future engines. The aim of this work is to predict acyclic and transient phenomena in increasingly complex engines through the development, the validation and the use of a coupling method between Large-Eddy Simulation (LES) and system simulation. This thesis has demonstrated that simulating a complete industrial engine in 3D with LES to study its transient behavior is possible. The methodology developed in the present work was used to study the engine of the national research agency project SGEmac and a good agreement was obtained between the experiments and the tridimensional simulations. These results are the last validation step of the coupling method and demonstrate the capacity of the coupled solver to simulate the whole engine. The coupling method is then applied to study engine load and regime transients for the national research agency project ASTRIDE. The comparison between simulations and experiments show that the coupled solver can simulate CCV and transients, thus fulfilling its initial goal
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Vié, Aymeric. "Simulation aux grandes échelles d'écoulements diphasiques turbulents à phase liquide dispersée." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00620754.
Abstract:
Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s'avèrent de nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la consommation des énergies fossiles. Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbulents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulérienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance. Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques, permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d'effets polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées, afin d'en cerner les limites pour la simulation eulérienne d'une phase liquide. Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d'autres approches (FEM et approche lagrangienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l'expérience est montré pour toutes les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations. D'autres résultats expérimentaux s'avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene, autant en phase liquide qu'en phase gazeuse.
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Techer, Anthony. "Simulation aux grandes échelles implicite et explicite de la combustion supersonique." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2017. http://www.theses.fr/2017ESMA0020/document.
Abstract:
Cette Thèse de doctorat est consacrée à l’étude, par simulation aux grandes échelles ou LES (Larg eeddy simulation), d’un jet pariétal d’hydrogène sous-détendu dans un écoulement transverse supersonique d’air vicié. Cette configuration est représentative des conditions d’écoulement rencontrées dans les moteurs aérobies de type super-statoréacteurs (scramjets). En effet, les futurs systèmes de transport à grande vitesse dépendent fortement du développement de ce type de moteur. Dans de telles conditions, l’écoulement d’air chaud est maintenu supersonique dans la chambre de combustion afin de réduire les effets induits par l’échauffement et la dissociation de l’air. Nous étudions les processus de mélange et de combustion qui se développent en aval du jet de combustible. Ce travail s’appuie sur l’emploi d’un outil de simulation numérique haute fidélité : CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver) développé à l’Institut Pprime. Ce code de calcul met en oeuvre des schémas numériques d’ordre élevé : schéma Runge–Kutta d’ordre 3 pour l’intégration temporelle combiné à un schéma WENO d’ordre 7 et centré d’ordre 8 pour la discrétisation spatiale. Les simulations réalisées dans des conditions inertes permettent de caractériser l’importance des interactions choc/turbulence avec une attention particulière accordée à la description des fluctuations de composition à l’échelle non-résolue (i.e. sous-maille). Compte tenu de leur niveau de résolution,les simulations réactives permettent quant à elles une analyse détaillée du mode de stabilisation et des régimes de combustion turbulente rencontrés fournissant ainsi des informations très précieuses quant à l’adéquation des modélisations existantes pour ces conditions extrêmesThis dissertation is devoted to the Large-eddy simulation (LES) study of a wall hydrogen underexpanded jet in a supersonic crossflow of vitiated air. This configuration is representative of flow conditions encountered in aerospace engines such as supersonic combustion ramjet (scramjets). Indeed, future of high-speed transport systems heavily depends on the development of this type of engine. Under such conditions, the high temperature flow of vitiated air is maintained supersonic in the combustion chamber to reduce effects of heating and dissociation. The mixing and combustion processes that develop downstream of the fuel jet are studied. This work is based on the use of a high fidelity numerical simulation: CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver) which is developed at the Pprime Institute. This computational solver makes use of high precision numerical schemes: a 3rd order Runge–Kutta scheme for the time integration combines with a 7th order WENO and 8th order centered scheme for the spatial discretisation. Non-reactive simulations allow to characterize the importance of shock/turbulence interactions with special attention paid to the description of the unresolved (i.e. sub-grid scale) scalar fluctuations. The reactive simulations allow to perform a detailed analysis of the stabilization mode and turbulent combustion regimes tha are encountered, thus providing valuable information about the possible adequacy of the available representation for these extreme conditions
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Moureau, Vincent. "Simulation aux grandes échelles de l'aérodynamique interne des moteurs à piston." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2004. http://www.theses.fr/2004ECAP0952.
Abstract:
La simulation aux grandes échelles (LES) est un outil puissant d'aide à l'analyse et à la compréhension des phénomènes physiques liés à la turbulence. Cette approche est plus adaptée à la simulation des écoulements fortement instationnaires, comparée aux méthodes statistiques de type RANS. L'objectif de cette thèse a été de contribuer au développement d'un code LES dédié aux moteurs à piston. Du point de vue numérique, des schémas convectifs d'ordre élevé ont été généralisés aux maillages mobiles. D'autre part, un interpolateur adapté à la LES a été développé. Il permet de traiter des maillages de taille importante. Concernant la modélisation de la turbulence, un modèle qui transporte l'énergie cinétique de sous-maille a été analysé et testé. Il a l'avantage d'apporter une information importante sur l'intensité de la turbulence de sous-maille et sur l'historique de cette quantité. Ce modèle a été couplé à un modèle de paroi basé sur la loi logarithmique. Ces développements ont été implémentés dans le solveur LES parallèle AVBP, et ils ont été validés sur un moteur expérimental de section carrée. Plusieurs modèles de turbulence et deux schémas convectifs ont été confrontés avec succès aux mesures expérimentales de vitesse. Ces résultats ont montré une grande influence des constantes des modèles de turbulence. Ce dispositif expérimental a aussi permis d'évaluer les erreurs de commutation temporelle générées par les variations de la largeur du filtre LES au cours du cycle moteur. Il a été démontré que ces erreurs peuvent être négligées au premier ordre dans les moteurs à piston conventionnels.
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Hecht, Nicolas. "Simulation aux grandes échelles des écoulements liquide-gaz : application à l'atomisation." Thesis, Rouen, INSA, 2016. http://www.theses.fr/2016ISAM0026/document.
Abstract:
Cette thèse est dédiée à l'amélioration des modèles d'atomisation pour les injecteurs automobiles. Le but est de développer et d'évaluer des modèles numériques permettant de capturer le passage de structures liquides en cours d'atomisation depuis les grandes échelles vers les petites échelles de sous-maille dans des configurations complexes. Dans un premier temps, nous mettons en place une procédure de calcul permettant le passage d'une description Eulérienne d'un spray à une procédure Lagrangienne. Afin de ne pas perdre les plus petites structures liquides, celles-ci seront transformées en particules Lagrangienne. Une analyse sur différentes grandeurs physiques, telles que la masse, la quantité de mouvement ou l'énergie cinétique turbulente, lors de cette transformation a été réalisée. L'autre partie de ce travail est consacrée au développement d'un modèle de simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques. La simulation de l'atomisation requiert un traitement spécifique de l'interface. Deux cas limites sont traités dans la littérature : • L'interface peut bien être capturée par le maillage. A ces endroits, une méthode classique de type DNS (Direct Numerical Simulation), comme les méthodes VOF (Volume of Fluid), doit être utilisée. • Lors de la création de plissements inférieurs à la taille de la maille, le maillage ne permet plus de suivre fidèlement l'interface. Il faut alors que le calcul reproduise des résultats d'une méthode LES (Large Eddy Simulation) considérant des structures et des gouttes inférieures à la taille de la maille. Ainsi, la problématique principale consiste à déterminer la configuration dans laquelle se trouve l'interface. La mise en œuvre de ce modèle a permis d'obtenir des résultats dans une configuration proche de l'injection Diesel, qui sont alors comparés à une DNS de référenceThis thesis is dedicated to improve atomization models for automobile injectors. The aim is to develop and evaluate numerical models to capture the liquid structure while they are being atomized from large scales to small sub grid scales in complex configurations. Initially, a calculation procedure is introduced for the transition to an Eulerian description of a spray into a Lagrangian description. In order not to lose the smallest fluid structures, they will be transformed into Lagrangian particles. During this process, an analysis is been performed with various physical parameters such as mass, momentum, or turbulent kinetic energy. The other part of this work is dedicated to the development of a LES (Large Eddy Simulation) for multiphase flow. The simulation of the spray requires a specific treatment of the interface. Two limiting cases are treated in the literature: • The interface may be captured by the mesh. At these locations, a conventional method of DNS (Direct Numerical Simulation) should be used, like the VOF method (Volume of Fluid). • When creating pleating smaller than the size of the mesh, the mesh can no longer match the interface. Then, the calculation must reproduce results from a LES method that take into account structures and drops smaller than the mesh size. Thus, the main problem is to define the configuration of the interface. The development of this model allows to obtain results in a configuration close to the Diesel injection's, which are then compared to a reference DNS
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Aillaud, Pierre. "Simulations aux grandes échelles pour le refroidissement d'aubages de turbine haute-pression." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/19731/1/AILLAUD_Pierre.pdf.
Abstract:
Dans le contexte aéronautique, cette thèse, financée par Safran Helicopter Engine, s’intéresse à l’application de l’approche Simulations aux Grandes Échelles (SGE) pour les systèmes de refroidissement de turbine. Le système de refroidissement industriel complexe est divisé en cas académiques plus simples donnant accès à des caractérisations expérimentales de la dynamique et de la thermique. Le jet impactant est traité en tant que système interne et l’écoulement de protection au bord de fuite en tant que système externe. Après une brève introduction du contexte lié au refroidissement de turbine et des objectifs scientifiques, ce manuscrit est divisé en 3 parties. La 1ère partie traite d’un écoulement de jet impactant sur plaque plane représentatif de l’impact à mi-corde. Elle se concentre sur la validation et la qualification des outils et modèles ainsi que sur l’analyse physique de l’écoulement. Les différentes instationarités de l’écoulement sont reliées à la thermique de paroi à l’aide de diagnostics statistiques et d’analyses modales. La 2ème partie s’intéresse à l’impact sur paroi concave représentatif de l’impact au bord d’attaque. Cette étude se concentre principalement sur la caractérisation de l’effet de courbure pour le jet impactant. Contrairement, au consensus actuel sur l’effet de courbure, la réduction des transferts thermiques est observée pour le cas d’étude de cette thèse. Au vu de ces résultats, une discussion est proposée pour tenter d’expliquer cet écart. Finalement, la 3ème partie de ce manuscrit contient une application de la SGE à un système de protection du bord de fuite par film isolant. Dans ce dispositif, des effets de groupe sont mis en évidence. L’impact des choix de modélisation tels que l’hypothèse de périodicité dans la direction de l’envergure est alors évalué. Il est montré que cette hypothèse de périodicité influe sur la prédiction locale de l’efficacité en forçant l’écoulement. En revanche, la prédiction de l’efficacité globale du système de protection n’est pas impactée.
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Knikker, Ronnie. "Analyse expérimentale de la combustion turbulente prémélangée pour la simulation aux grandes échelles." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2002. http://www.theses.fr/2002ECAP0741.
Abstract:
La simulation numérique est un outil important pour mieux comprendre et prédire les systèmes de combustion industriels, où interviennent des phénomènes physiques complexes à des échelles caractéristiques très variées. La simulation des grandes échelles (LES), où les grandes structures de l’écoulement sont calculées explicitement et l’effet des plus petites est modélisé, apparaît alors comme une approche particulièrement prometteuse. Elle nécessite Donc de disposer de modèles décrivant l’action des échelles non-résolues sur les échelles calculées. Le principal objectif de cette thèse est le développement et la validation de modèles de sous-mailles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée. L’étude expérimentale d’une flamme turbulente en V stabilisée derrière un obstacle a été réalisée au moyen de techniques de mesures avancées. Des visualisations du front de flamme instantané effectuées par fluorescence induite par laser ont permis l’analyse de la modélisation de sous-maille du taux de réaction. L’interaction de la flamme avec une onde acoustique a été étudiée car son mécanisme est considéré comme une étape importante dans le développement des instabilités de combustion. De larges structures cohérentes de la flamme ont été observées, ainsi que de fortes contributions du taux de réaction de sous-maille phénomènes qui doivent être reproduits par les modèles LES. Des analyses détaillées des données expérimentales ont conduit au développement d’un modèle basé sur la courbure de la flamme résolue. Ce modèle prédit une action importante du modèle de sous-maille dans les régions où le front de flamme résolu est fortement courbé, en accord avec les expériences. Un second modèle, basé sur le concept de similarité, désormais classique en modélisation pour la simulation des grandes échelles des écoulements non-réactifs, a également été proposé et testé. Un complément attractif à ce modèle a été développé par une extension originale de la théorie des fractals à là LES des écoulements réactifs. La modélisation fractale du taux de réaction de sous-maille est discutée et analysée à partir des données expérimentales. Une formulation dynamique de ce modèle a également été étudiée. Enfin, l’approche LES analysée dans ce travail a été implantées dans un code de calcul numérique existant et des premiers calculs de la configuration expérimentale ont été réalisés. Les aspects critiques de ces simulations sont discutés et les premiers résultats du modèle de similarité proposé sont comparés aux données expérimentales et à un modèle de sous-maille exitant.
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Iafrate, Nicolas. "Simulation aux grandes échelles diphasique dans les moteurs downsizes à allumage commande." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2016. http://oatao.univ-toulouse.fr/15721/1/Iafrate.pdf.
Abstract:
Le moteur à allumage commandé downsizé, couplé à une stratégie d’injection directe, est l’une des solutions privilégiées par les constructeurs automobiles afin de réduire les émissions polluantes et d’augmenter le rendement. Toutefois, l’augmentation de la pression d’injection visant à favoriser l’atomisation du spray et donc l’homogénéité du mélange peut engendrer une forte interaction entre le spray et les parois de la chambre de combustion. Cette interaction est à l’origine d’hétérogénéités locales susceptibles d’altérer la combustion. Du fait de son caractère instationnaire, l’interaction spray/paroi (formation et évaporation d’un film liquide) et plus généralement la préparation du mélange en moteur à injection directe essence sont des phénomènes difficiles à analyser expérimentalement. En effet, un moteur muni d’accès optiques ne peut pas fonctionner dans les conditions thermodynamiques réelles (pression, température...). Dans ce contexte, la modélisation et plus particulièrement la Simulation aux Grandes Echelles (“Large Eddy Simulation” LES) est un moyen d’analyse complémentaire et indispensable. L’objectif de cette thèse est de développer les modèles physiques nécessaires à la description de la phase liquide avec une approche Euler-Lagrange pour la simulation dans les moteurs à piston. Dans un premier temps, une modélisation des caractéristiques physiques du spray en sortie d’injecteur, nommée GDI, est proposée et validée par comparaison avec des mesures expérimentales. Les résultats montrent la capacité du modèle GDI à reproduire la dynamique générale d’un spray pour deux types d’injecteurs multi-trous. Dans un deuxième temps, deux modèles sont développés pour traiter respectivement l’interaction entre le spray et les parois et l’évaporation du film liquide. Les premières validations de ces modèles sont faites sur des expériences académiques dédiées, permettant des comparaisons précises avec les mesures. Finalement deux configurations moteur sont simulées. La première, sans combustion, permet d’évaluer l’impact d’une modélisation fine de l’interaction spray/paroi par rapport à une approche simplifiée. Les résultats montrent que la prise en compte de la formation et de l’évaporation du film liquide modifie significativement la formation du mélange, notamment le champ de richesse au Point Mort Haut. La seconde est utilisée pour analyser l’impact de la phase liquide sur le mélange et la combustion. Ces calculs sont comparés à des calculs réalisés sans injection liquide et à des mesures expérimentales. Les résultats mettent en évidence que les stratifications de richesse et de température, causées par l’évaporation du liquide, ont un effet de plissement sur la flamme et diminuent sa vitesse de propagation.
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Charlette, Fabrice. "Simulation numérique de la combustion turbulente prémélangée par méthodes aux grandes échelles." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2002. http://www.theses.fr/2002ECAP0861.
Abstract:
La simulation numérique de la combustion, qui constitue un outil puissant pour le développement de nombreuses applications industrielles, est rendue difficile par la grande diversité des échelles caractéristiques de la turbulence et par la finesse des zones de réaction. Les méthodes aux grandes échelles ou LES, qui sont étudiées dans ce travail, permettent de s’affranchir des limitations des simulations directes, tout en permettant, notamment au niveau des phénomènes instationnaires, une meilleure description de l’écoulement que la résolution des équations moyennées. Le principal problème de l’application des méthodes aux grandes échelles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée réside dans le fait que l’épaisseur de flamme est généralement très inférieure au pas du maillage du calcul. Afin de se défaire de ce problème de résolution numérique, deux méthodes ont été ici étudiées : l’épaississement artificiel du front de flamme (TP-LES), et l’approche filtrée, pour laquelle une taille de filtre supérieure au pas du maillage a été utilisée. Des expressions analytiques ou basés sur une bibliothèque de flammelettes permettent la fermeture de la partie laminaire de l’approche filtrée. Des tests simples de propagation de flamme attestent du bon contrôle de l’épaisseur de la flamme par l’approche TF-LES et par l’approche filtrée. Pour la propagation turbulente, trois modèles ont été étudiés au cours de ce travail : un modèle algébrique de type Bray-Moss-Libby, un modèle à une équation proposé pour le plissement, et un modèle à fonction d’efficacité avec une loi en puissance. Des résultats de simulations tridimensionnelles d’interaction entre une flamme prémélangée et une turbulence homogène isotrope temporellement décroissante montrent que les trois modèles sont relativement peu dépendants des paramètres numériques des calculs (résolution, facteur d’épaississement, taille du filtre). Par comparaison avec des données expérimentales et de simulation directe, le modèle de plissement de flamme qui suit une loi en puissance à la meilleure estimation de la vitesse de flamme turbulente globale. Pour ce modèle une procédure de détermination dynamique de l’exposant est également proposée et testée avec succès dans la même configuration d’interaction flamme/turbulence.
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Selle, Laurent. "Simulation aux grandes échelles des interactions flamme / acoustique dans un écoulement vrillé." Toulouse, INPT, 2004. http://www.theses.fr/2004INPT001H.
Abstract:
Les écoulements vrillés (i. E. En rotation par rapport à la direction principale de l'écoulement) présentent des topologies très variées en fonction du rapport entre la vitesse débitante et la vitesse de rotation. Si ce rapport est suffisamment grand, il se forme une zone de recirculation sur l'axe de rotation. Cette propriété est utilisée dans les foyers de turbines pour stabiliser la flamme et la rendre compacte. Cependant, ces écoulements sont sujets à des instabilités de combustion résultant du couplage entre l'acoustique et la réaction chimique, pouvant entraîner jusqu'à la destruction du système. Ces instabilités sont totalement imprévisibles à l'aide des méthodes d'ingénierie classiques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse propose de démontrer que de nouveaux outils numériques sont potentiellement capables de prédire les instabilités de combustion. Par exemple, la méthode de Simulation aux Grandes Echelles, implémentée dans un code de calcul compressible permet de prendre en compte les ingrédients principaux des instabilités de combustion comme l'acoustique et l'interaction entre un front de flamme et une structure tourbillonnaire. Ce travail de thèse montre une validation de la simulation aux grandes échelles dans une géométrie industrielle complexe (brûleur SIEMENS) pour un écoulement vrillé non-réactif et réactif. Le code de calcul utilisé est le code AVBP, développé au CERFACS. Les résultats numériques sont comparés avec succès à des mesures expérimentales effectuées à l'Université de Karlsruhe (Allemagne). De plus, une analyse approfondie de l'acoustique de la configuration et de son interaction avec la combustion est présentée. Pour cette analyse, c'est un autre code du CERFACS (AVSP) qui est utilisé.
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Moldoveanu, Cristian-Emil Boisson Henri-Claude Moraru Florentin. "Simulation aux Grandes Échelles de tourbillons longitudinaux soumis à une turbulence extérieure intense." Toulouse : INP Toulouse, 2008. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000696.
Abstract:
Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2007. Reproduction de : Thèse de doctorat : Ingénierie aérospatiale : Académie technique militaire de Bucarest : 2007.Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 120 réf.
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Pascaud, Stéphane. "Vers la simulation aux grandes échelles des écoulements turbulents diphasiques réactifs : application aux foyers aéronautiques." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2006. http://oatao.univ-toulouse.fr/7497/1/pascaud1.pdf.
Abstract:
Vers la SGE des écoulements turbulents diphasiques réactifs : application aux foyers aéronautiques Dans le processus de conception d'un foyer aéronautique, le ré-allumage en altitude est, bien avant la consommation ou la pollution, le critère limitant. Ce phénomène mettant en jeu la turbulence, les écoulements diphasiques et la thermochimie, la faisabilité d'un outil numérique capable de simuler ce processus fortement instationnaire doit être démontrée. La première partie de cette thèse détaille le développement d'un code parallèle combinant une approche aux grandes échelles, un formalisme eulérien pour le diphasique et un modèle de flamme épaissie dynamiquement. Dans la seconde partie, ce code est appliqué à un foyer aéronautique industriel. En régime établi, les mécanismes de stabilisation de la flamme diphasique sont détaillés en insistant sur l'influence du processus d'évaporation. La simulation d'une phase d'allumage est ensuite réalisée de la naissance de la flamme à sa stabilisation près de l'injecteur de carburant liquide. Enfin, l'influence d'une perturbation acoustique sur la dynamique de flamme est détaillée.
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Sengissen, Aloïs. "Simulation aux grandes échelles des instabilités de combustion : vers le couplage fluide / structure." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2006. http://oatao.univ-toulouse.fr/7428/1/sengissen1.pdf.
Abstract:
Afin de pouvoir satisfaire aux normes de pollutions, les turbines à gaz actuelles sont contraintes à fonctionner dans un régime pauvre. Le mode de combustion qui en résulte peut présenter des instabilités susceptibles de dégrader la durée de vie des composants de la structure. Malheureusement, ces instabilités sont totalement imprévisibles à l'aide des méthodes d'ingénierie classiques. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de l'approche de la Simulation aux Grandes Echelles (LES) pour prédire ces instabilités et évaluer leur impact sur la structure. Avant de procéder au couplage proprement dit, de nombreux phénomènes sont à éclaircir, tels que le rôle des fluctuations de richesse dans le caractère instationnaire de la réaction, ou l'influence des conditions limites thermiques sur les régimes instables. Ce travail de thèse montre une validation de la LES sur un brûleur-test développé spécifiquement à l'Université of Twente (Pays bas) dans le cadre du projet Européen DESIRE. Après comparaison avec les données expérimentales (LDV et chemiluminescence CH*), nous démontrerons l'influence des conditions limites thermiques non seulement sur la fréquence mais aussi sur l'amplitude des modes instables. Ensuite, il sera mis en évidence que les ondes acoustiques se propageant dans les conduits d'air lors du forçage de la ligne de fuel modifient de façon significative la perturbation de richesse réellement perçue par la flamme. Sa réponse sera en outre caractérisée en détail (linéarité). Enfin, les résultats d'un prototype de couplage entre la LES (AVBP) et un code de structure (ANSYS) seront présentés.
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Fransen, Rémy. "Simulation aux Grandes Échelles pour la modélisation aérothermique des aubages de turbines refroidies." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00870685.
Abstract:
Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l'IVK, se place dans un contexte d'amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d'hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l'environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd'hui dans le milieu industriel à l'aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l'approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d'écoulements. Les travaux de cette thèse s'intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l'écoulement du circuit de refroidissement interne d'une pale de turbine. Pour simplifier l'analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s'intéresse à l'étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d'écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d'une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l'analyse de l'écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l'écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n'est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l'approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d'importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée.
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Thobois, Ludovic. "Intérêt et faisabilité de la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles." Toulouse, INPT, 2006. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000292/.
Abstract:
Avec la sévérisation des normes environnementales, les constructeurs automobiles sont amenés à développer des moteurs consommant et polluant moins. Ces nouveaux moteurs fonctionnent avec des stratégies de combustion de plus n plus complexes, qui nécessitent une maîtrise très fine du mélange air/carburant et de l'aérodynamique interne. Les outils d'aide à la conception utilisés jusqu'alors, comme les bancs d'essai moteur ou les calculs 3D RANS, ne permettent plus de répondre à toutes les problématiques rencontrées lors du développement de ces moteurs. Dans ce contexte, la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un outil très prometteur pour la mise au point des moteurs modernes car elle permet d'accéder aux instationnarités de l'écoulement. Ce travail de thèse a consisté à appliquer la simulation aux grandes échelles dans les moteurs automobiles, en montrant son intérêt, et en développant des méthodologies de calcul. Dans un premier temps, des calculs sont réalisés dans des bancs volutes stationnaires afin de déterminer leur perméabilité (ou perte de charge) et leur nombre de swirl. Plusieurs bancs volutes sont ainsi étudiés par difficulté croissante au niveau de leur géométrie et de l'écoulement les traversant. Les résultats LES obtenus pour chaque géométrie sont comparés avec succès aux mesures expérimentales correspondantes. La LES a permis pour la géométrie la plus complexe d'analyser finement la typologie de l'écoulement, engendrée par deux conduits de forme particulière et son évolution avec la levée de soupape. Dans un deuxième temps, un modèle d'allumage (ADEL) est couplé au modèle de combustion turbulente TFLES. Ce dernier est ensuite adapté au contexte moteur. Le développement de ces deux modèles a permis de simuler avec succès la phase d'initiation et de propagation d'une flamme dans un moteur à essence à injection indirecte. Quatre cycles du même moteur sont ensuite enchaînés. Chacun d'eux est compris dans l'enveloppe des cycles mesurés expérimentalement, mais chaque cycle diffère des autres. Les variabilités cycliques sont ensuite analysées en terme de mélange, d'aérodynamique interne, de combustion et de rendementsEuropean environmental regulations obligate automotive manufacturers to develop less pollutant and less consuming engines. These engines are widely based on new combustion strategies, where mixing and aerodynamics need to be precisely controlled. Common aided development tools are no more adapted to predict accurately in space and time aerodynamics and mixing in new engines. RANS computations can not provide unsteady phenomena and engine test benches can not provide all the flow characteristics due to optical access. Large eddy simulation can be predicted through the motion of large turbulent eddies. The objectives of this work are to simulate engines geometries with the LES approach, to bring to front the advantages of the LES approach and to elaborate specific methodologies. On the one hand, LES is applied in steady-state flow benches in order to predict their discharge coefficient and their swirl number. Several flow benches have been tested. For all of them, LES results obtained are in agreement with experimental measurements. The final flow bench is the more realistic flow bench computed in this work. It is composed of two intake ports of a real Diesel engines. The LES approach gives insights into the understanding of flow generation and its dependance on valve lift. On the other hand, an ignition model (ADEL) is coupled to the turbulent combustion model TFLES. This model is then adapted to engine geometries, where thermodynamical conditions change. These two models are finally used to compute the combustion stroke of an indirect-injection gasoline engine. Four cycles of the engine are computed. The cycles obtained are in agreement with experimental cycles but they all differ. Cycle-to-cycle variations are analyzed in terms of mixing, aerodynamics, combustion and engine efficiency
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Poitou, Damien. "Modélisation du rayonnement dans la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente." Thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://www.theses.fr/2009INPT035G/document.
Abstract:
La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulenteSimulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame
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Lacaze, Guilhem. "Simulation aux Grandes Echelles de l'allumage de moteurs fusées cryotechniques." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00429666.
Abstract:
L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel.
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Robert, Anthony. "Simulation aux Grandes Échelles des combustions anormales dans les moteurs downsizés à allumage commandé." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2014. http://oatao.univ-toulouse.fr/16783/1/ROBERT_Anthony.pdf.
Abstract:
Le moteur à allumage commandé fortement downsizé est une des solutions les plus prometteuses utilisée par les constructeurs automobiles pour augmenter le rendement et réduire les émissions de CO2. Cependant, les conditions thermodynamiques plus sévères rencontrées dans ces moteurs favorisent l’apparition de combustions anormales (cliquetis et rumble) qui sont difficiles à analyser expérimentalement vu les risques encourus par le moteur. La méthode Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) s’est imposée depuis plusieurs années pour l’étude des moteurs à piston dans l’industrie, mais elle n’est pas la plus appropriée pour étudier des phénomènes locaux et sporadiques comme les combustions anormales qui n’affectent pas le cycle moyen simulé en RANS. Grâce à l’utilisation d’un code compressible LES et au développement d’une version améliorée des modèles ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) et TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) qui permet un découplage total entre les taux de réaction liés à la propagation de la flamme et à l’auto-inflammation, ces travaux mettent en évidence pour la première fois la capacité de la LES à décrire le phénomène de cliquetis dans une configuration réaliste d’un moteur à allumage commandé. Contrairement aux études précédentes [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], une étude quantitative du cliquetis est réalisée grâce à des post-traitements spécifiques et similaires pour les résultats expérimentaux et numériques. La LES est capable de prédire la variabilité de la pression cylindre, la fréquence mais également l’angle moyen d’apparition de l’auto-inflammation sur un balayage d’avance à l’allumage. Une analyse 3D démontre également que le cliquetis se déclenche à différents endroits, mais principalement dans la moitié de la chambre sous les soupapes d’échappement. De plus, l’intensité du cliquetis est proportionnelle à la masse de gaz frais brûlée en auto-inflammation pour les faibles intensités, alors qu’une croissance beaucoup plus forte est observée pour les intensités les plus élevées. Ceci suggère que des facteurs supplémentaires interviennent comme la localisation du cliquetis ou les interactions entre l’acoustique interne et l’auto-inflammation. L’utilisation d’un code LES compressible permet une visualisation directe de ces interactions mettant en évidence que les faibles intensités sont liées à des auto-inflammations locales sans couplage alors qu’une transition de la déflagration vers la détonation est possible en moteur automobile et correspond aux intensités les plus fortes.
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Lavedrine, Jacques. "Simulation aux grandes échelles de l'écoulement diphasique dans des modèles d'injecteur de moteurs aéronautiques." Toulouse, INPT, 2008. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000685/.
Abstract:
Dans la problématique de réduction des émissions polluantes dans les moteurs aéronautiques, la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) permet de mieux comprendre les phénomènes liés au spray de carburant. Dans cette thèse, l'approche SGE est d'abord appliquée à une configuration académique d'injecteur afin de se concentrer sur la polydispersion de l'écoulement gaz-particules. Cette étude passe par une comparaison des résultats numériques avec les mesures, et constitue une validation de l'outil de calcul. Cet outil est ensuite utilisé pour étudier l'écoulement diphasique dans un nouveau concept d'injecteur industriel, notamment en s'appuyant sur une comparaison avec l'expérience. Cette étude permet aussi de connaître les performances et d'identifier les améliorations possibles de cet injecteur. Enfin, la sensibilité de la SGE aux différentes stratégies d'injection est évaluéeIn the issue of reducing pollutant emissions in aeronautical engines, Large Eddy Simulation (LES) allows a better understanding of the phenomena related to the fuel spray. In this thesis, the LES approach is first applied to an academic configuration with a polydisperse injector. This study goes through a comparison between numerical results and measurements, and constitutes a validation of the computational tool. This tool is then used to investigate the two-phase flow in a new industrial injector design through a comparison with experiments. This investigation also identifies the performances and potential improvements of such an injector. Finally, LES sensitivity to different injection strategies is assessed
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Riber, Eleonore. "Développement de la méthode de simulation aux grandes échelles pour les écoulements diphasiques turbulents." Toulouse, INPT, 2007. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000531/.
Abstract:
Ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique des écoulements diphasiques turbulents. Il se concentre sur les phénomènes physiques de dispersion et de concentration préférentielle de particules solides dans un gaz, et vise à étendre le formalisme Eulérien mésoscopique à la LES. Deux principales difficultés sont ainsi soulevées : les équations particulaires non diffusives génèrent de forts gradients, et les termes non fermés proviennent de la moyenne d'ensemble et du filtrage volumique. Dans cette étude, une méthode numérique adaptée à la spécificité des équations est en premier lieu proposée. Sa robustesse et sa précision sont ensuite démontrées dans une DNS de THI décroissante chargée en particules. Le modèle LES eulérien mésoscopique proposé à priori par Moreau (2006) est finalement validé à postériori dans deux géométries complexes (Hishida et al. (1987) et Borée et al. (2001)) par comparaison avec des résultats expérimentaux et issus de calculs lagrangiensThis work deals with numerical modeling of turbulent two-phase flows. It focuses on the phenomena of dispersion and preferential concentration of solid particles in a gas flow, and proposes a LES formulation of the eulerian mesoscopic approach, which raises two main issues. First, the set of equations for the dispersed phase that is non diffusive creates strong gradients difficult to handle numerically. Then, the unclosed terms are due both to ensemble averaging and volume filtering. In the presence study, a new numerical method more adapted to the dispersed phase equations is first proposed. Second, its robustness and accuracy are shown performing DNS of particle-laden decaying HIT flow. Finally, the LES eulerian mesoscopic model that was a priori proposed by Moreau (2006) is a posteriori validated in two complex geometries (Hishida et al. (1987) and Borée et al. (2001)) through comparisons with measurements and lagrangian results
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Varoquie, Bertrand. "Etude expérimentale de la combustion turbulente non prémélangée pour la simulation aux grandes échelles." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2004. http://www.theses.fr/2004ECAP0950.
Abstract:
En simulation aux grandes échelles (LES), les grandes structures turbulentes sont explicitement calculées tandis que les effets des plus petites sont modélisés en utilisant des modèles de sous maille. Cette formulation permet en combustion turbulente de déterminer l'interaction entre les structures cohérentes, le dégagement de chaleur instationnaire et la pression acoustique qui est responsable du développement des instabilités de combustion. La validation de la LES en combustion non prémélangée, exige la connaissance du mélange entre les réactifs, de la position de la zone de réaction et la distribution des gaz brûlés. Ainsi la chambre de combustion utilisée pour cette étude est conçue pour faciliter le diagnostic optique (configuration bidimensionnelle) et les simulations numériques. Afin d'étudier la réponse de la flamme aux perturbations acoustiques longitudinales, un ingrédient clef pour prévoir et analyser les instabilités de combustion, la circulation d'air est modulée par des ondes acoustiques. Ainsi, la fonction de transfert de la flamme est alors déterminée en terme d'amplification et de déphasage (modèle n-tau). Les indices n et tau extraits à partir des simulations LES du même brûleur sont en accord avec les données expérimentales. La distribution des gaz brûlés et la fraction massique de propane ont été extraites en utilisant la PLIF simultanée sur le radical OH et la vapeur d'acétone tandis que la vitesse est mesurée avec la PIV. Ces diagnostics montrent que l'excitation acoustique module le mélange des réactifs et la distribution des gaz brûlés, mécanismes principaux de la stabilisation des flammes et que la LES reproduit les tendances observés.
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Staffelbach, Gabriel. "Simulation aux grandes échelles et analyse acoustique de turbines à gaz industrielles multi-brûleurs." Toulouse, INPT, 2006. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000245/.
Abstract:
Pour réduire les émissions polluantes, les turbines à gaz sont utilisées dans des conditions opérationnelles susceptibles de provoquer des instabilités. Des tests avant la mise en opération sont donc nécessaires pour diagnostiquer leur possible apparition. Pour les turbines annulaires, ces tests sont effectués sur des configurations réduites avec un seul brûleur. Cette thèse propose d'étudier en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles les phénomènes d'interaction entre brûleurs et l'impact des modes acoustiques azimutaux sur les brûleurs. Deux phénomènes négligés si on considère que un seul brûleur. De plus on s'intéresse au phénomène d'accrochage de flamme à l'aide d'une flamme pilotePollutant emissions restrictions have driven gas turbine manufacturers to employ new technologies and to operate these systems in extreme operating conditions where combustion instabilities may develop. Extended experimental and numerical studies are required to assess the danger to the turbine. For annular combustors, most tests are performed in reduced single-burner configurations. This thesis proposes to study using Large Eddy Simulation two phenomena that are neglected: burner/burner interaction and the impact of acoustic azimuthal modes on the burners. An additional issue considered is the effect of the pilot fuel injection on the flame stability
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PIANA, JULIEN. "Etude de l'application des simulations aux grandes échelles à la combustion turbulente prémélangée." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 1996. http://www.theses.fr/1996ECAP0529.
Abstract:
Ce travail se place dans le cadre de la simulation aux grandes échelles (les) de la combustion turbulente. Le but des simulations les est de résoudre les structures de grande taille et de modéliser les effets des petites structures par des modèles de sous-maille. L'intérêt de ces méthodes est de décrire les phénomènes instationnaires, fortement turbulents, notamment dans des configurations géométriques complexes. Elles constituent à cet égard un outil attractif pour la simulation de la combustion turbulente dans des configurations industrielles. Cependant représenter la combustion dans ce contexte pose des problèmes particuliers devant être résolus par des méthodes spécifiques. Dans ce mémoire, nous étudions notamment une description cinématique de la combustion pour laquelle il convient d'estimer les effets de la turbulence sur la vitesse de flamme. L'analyse de la géométrie de la flamme peut nous apporter à cet effet des informations utiles. Nous avons donc mené une étude expérimentale sur une flamme turbulente prémelangée afin de caractériser, par visualisation tomographique, la géométrie du front de flamme. Les mesures du plissement de la flamme nous ont permis de proposer un modèle de sous-maille pour la vitesse de flamme. Des mesures de vélocimétrie laser ont par ailleurs apporté des informations complémentaires sur la dynamique de la flamme. La méthode basée sur la représentation cinématique du front de flamme a été ensuite développée de façon détaillée. Le front de flamme y est défini à partir d'une variable de progrès appelée G et son évolution est exprimée par une équation pour G. Le couplage entre la combustion et l'écoulement est assure par un modèle spécifique pour le dégagement de chaleur que nous avons proposé et étudié. Dans une première étape de validation nous avons comparé cette méthode avec la simulation directe dans des configurations bidimensionnelles spatialement résolues. Ensuite, le modèle est utilisé dans une simulation les reactive 3d dans le cas d'un écoulement fortement turbulente (RE = 50. 000). Finalement, une alternative aux calculs les traditionnels est présentée. Elle s'appuie sur les algorithmes FCT (flux corrected transport) dont les propriétés numériques dissipatives ont des effets comparables à la dissipation de sous-maille introduite dans les simulations aux grandes échelles. Nous avons étudié leur sensibilité à la résolution numérique dans un calcul de couche de mélange réactivé. Lorsque la résolution diminue, le mélange est toujours correctement représente mais cette méthode ne permet pas une bonne description de l'allumage de la couche de mélange ; ceci montre également la nécessité de représenter la combustion non-prémelangée par des modèles spécifiques aux méthodes LES.
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Stefanin, Volpiani Pedro. "Modèle de plissement dynamique pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente prémelangée." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLC005/document.
Abstract:
Avec l’accroissement considérable de la puissance de calcul, les simulations aux grandes échelles (SGE) sont maintenant utilisées de façon routinière dans de nombreuses applications d’ingénierie. Les modèles de combustion usuels utilisés dans les SGE sont le plus souvent basés sur une hypothèse d’équilibre entre le mouvement des structures turbulentes et le plissement de la surface de la flamme. Ils s’écrivent alors sous forme d’expressions algébriques fonctions de grandeurs connues aux échelles résolues ainsi que de paramètres dont l’ajustement est à la charge de l’utilisateur selon la configuration étudiée et les conditions opératoires. Le modèle dynamique récemment développé ajuste automatiquement au cours du calcul les paramètres de modélisation qui peuvent alors dépendre du temps et de l’espace. Cette thèse présente une étude détaillée d’un modèle dynamique pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente prémélangée. L’objectif est de caractériser, explorer les avantages et les inconvénients, appliquer et valider le modèle dynamique dans plusieurs configurationsLarge eddy simulation (LES) is currently applied in a wide range of engineering applications. Classical LES combustion models are based on algebraic expressions and assume equilibrium between turbulence and flame wrinkling which is generally not verified in many circumstances as the flame is laminar at early stages and progressively wrinkled by turbulent motions. In practice, this conceptual drawback has a strong consequence: every computation needs its own set of constants, i.e. any small change in the operating conditions or in the geometry requires an adjustment of model parameters. The dynamic model recently developed adjust automatically the flame wrinkling factor from the knowledge of resolved scales. Widely used to describe the unresolved turbulent transport, the dynamic approach remains underexplored in combustion despite its interesting potential. This thesis presents a detailed study of a dynamic wrinkling factor model for large eddy simulation of turbulent premixed combustion. The goal of this thesis is to characterize, unveil pros and cons, apply and validate the dynamic modeling in different flow configurations
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Oussama, Chikhaoui. "Simulations des grandes échelles et modélisations hybrides RANSE/LES pour le calcul d'écoulements turbulents de grande complexité." Nantes, 2007. http://www.theses.fr/2007NANT2143.
Abstract:
Au cours de ce travail de thèse, on s’intéresse aux simulations des grandes échelles et aux modèlisations hybrides RANSE/LES. Les capacités du solveur ISIS-CFD initialement conçu pour la résolution des équations Navier-Stokes en moyenne de Reynolds, ont été étendues à ces différentes méthodes en intégrant différents modèles de turbulence de façon à envisager un code de calcul complet capable de traiter une large gamme de problèmes complexes de nature académique ou industrielle. Les modèles et les méthodes numériques choisis et implémentés ont été justifiés et validés sur plusieurs cas test académiques et ont fait l’objet de comparaisons concluantes avec d’autres codes de calcul dans les contextes LES et hybrides. Les méthodes hybrides étudiées ont montré une bonne capacité à retrouver les solutions escomptées tout en permettant une grande économie en résolution de maillage. Un critère basé sur l’évaluation du résidu du budget de quantité de mouvement de l’écoulement moyen a également été proposé comme indicateur des erreurs numériques commises dans les simulations LES et hybrides. Finalement, des simulations d’écoulements turbulents complexes utilisant des modélisations hybrides ont été entreprises. L’utilisation des modélisations hybrides pour le calcul de l’écoulement autour d’un modèle simplifié de voiture en dérapage (corps de Willy) permet de reproduire, avec fidélité et à moindre coût, les observations expérimentales d’un écoulement turbulent de grande complexitéThis PhD thesis deals with the Large Eddy Simulation and the hybrid RANSE/LES modelization. The abilityof ISIS-CFD flow solver, originally designed for solving Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations, was extended to these different methods by integrating different turbulence models in order to provide a computing code able to deal with a wide range of academic and industrial complex problems. The models and numerical methods chosen and implemented were justified and validated over several academic test cases and comparisons of LES and hybrid simulations using different flow solvers have been successful. Hybrid methods studied showed a good ability to find expected solutions allowing a large saving in mesh resolution. A criterion based on the assessment of the residual of the momentum budget of the averaged flow is also proposed as an indicator of the numerical errors committed in LES and hybrid simulations. Finally, the simulation of complex turbulent flows using hybrid models have been undertaken. The use of RANS/LES models for the computation of the flow around a skidding simplified car model can reproduce faithfully and cheaply, the experimental observations of a turbulent flow of great complexity
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Guillaume, Albouze. "SIMULATION AUX GRANDES ECHELLES DES ECOULEMENTS REACTIFS NON PREMELANGES." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00451443.
Abstract:
La simulation aux grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non mélangés de chambres de combustion modèles. La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air / carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'à pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.
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Puggelli, Stefano. "Vers une approche unifiée pour la simulation aux grandes échelles d'écoulements réactifs, diphasiques et turbulents." Thesis, Normandie, 2018. http://www.theses.fr/2018NORMR013/document.
Abstract:
Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l’implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d’atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d’atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d’abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l’atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d’ultérieurs travauxThe recent limitations imposed by ICAO-CAEP, regulating NOx emissions, are leading to the implementation of lean burn concept in the aero-engine framework. From a design perspective, a depth insight on lean burn combustion is required and Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a useful tool for this purpose. Several interacting phenomena are involved and various modelling strategies, with huge differences in terms of computational costs, are available. Nevertheless, up to now few numerical tools are able to account for the effects of liquid fuel preparation inside reactive computations. Spray boundary conditions are normally determined thanks to correlative approaches that are not able to cover the wide range of operating conditions and geometrical characteristics of aero-engine burners. However, as highlighted in the first part of the dissertation, where several literature test cases are analysed through numerical calculations, the impact of liquid preparation can be extremely important. Considerations based on correlative approaches may be therefore unreliable. More trustworthy predictive methods focused on fuel atomization are required. This research activity is therefore aimed at developing a general numerical tool, to be used in an industrial design process, capable of modelling the liquid phase from its injection till the generation of a dispersed spray subject to evaporation. The ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization) model, which is based on an Eulerian approach in the dense region and a Lagrangian one in the dilute zone, has been chosen to this end. The solver is able to deal with pure liquid up to the generation of a dispersed phase and to account for the breakup process through the introduction of the liquid-gas interface density. However, several limitations of such method arise considering its application in a highly swirled reactive environment like an aero-engine burner. Therefore, particular attention has been here devoted first to the study of the turbulent liquid flux term, inside the liquid volume fraction equation. This quantity is of paramount importance for a swirled flow-field, with high slip velocities between phases. A completely innovative modelling framework together with a new second order closure for this variable is proposed and validated on a literature jet in crossflow test case. Then, to handle a reactive environment, a novel evaporation model is integrated in the code and assessed against experimental results. Finally, an alternative way to derive the Drop Size Distribution (DSD) in ELSA context for the lagrangian injection is presented and assessed by means of Direct Numerical Simulations. Ultimately, this work introduces an innovative framework towards a uni- fied description of spray combustion in CFD investigations. The proposed approach should lead to a comprehensive description of fuel evolution in the injector region and to a proper characterization of the subsequent reacting flow-field. Several improvable aspects are also highlighted, pointing the way for further enhancements
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Boger, Metta Maria. "Modélisation de sous-maille pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente prémélangée." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2000. http://www.theses.fr/2000ECAP0904.
Abstract:
Les simulations LES requièrent le développement et l'utilisation de modèles de sous-maille pour décrire l'effet des échelles turbulentes non-résolues. Au cours de notre étude, nous avons proposé une nouvelle formulation fondée sur l'équation de transport de la variable d'avancement c. Cette grandeur, bien définie, peut être facilement extraite de simulations numériques directes (tests « a priori ») ou mesurée expérimentalement (tests « a priori » pour développer des modèles ou « a posteriori » pour valider les simulations). L'équation de transport de la variable d'avancement est filtrée avec un filtre LES plus large que le maillage de calcul pour pouvoir résoudre numériquement la variable d'avancement filtrée c. Cette opération introduit des grandeurs non fermées qu'il faut modéliser. Toutes ces grandeurs ont été étudiées, à la fois analytiquement, à partir de simulations numériques directes et à partir de mesures expérimentales. Cette analyse nous a conduit à proposer une formulation basée sur la notion de densité de surface de flamme de sous-maille. Un point important concerne la capacité du modèle proposé à prédire la propagation d'une flamme laminaire plane. Il apparait alors que le flux convectif non résolu comporte une contribution laminaire qui ne peut être négligée. Un terme diffusif a également été incorporé à notre modèle pour gérer, dans les simulations pratiques, l'épaisseur de la flamme résolue. Finalement, notre modèle a été implanté dans le code AVBP. Tout d'abord, la capacité du modèle à dégénérer correctement vers les situations laminaires a été vérifiée par la simulation d'une flamme plane, modimensionnelle, stationnaire. Des simulations bi-dimensionnelles ont ensuite été conduites et ont montré un bon comportement du modèle, comparativement à l'approche basée sur l'épaississement artificiel de la flamme. Les données expérimentales quantitatives disponibles pour valider un tel modèle sont, malheureusement, encore peu nombreuses, mais les premiers tests s'avèrent très prometteurs. Il faut souligner que ces calculs LES ont permis de mettre en évidence l'apparition, dans certains cas, de transport turbulent de type contre-gradient, au moins à l'échelle résolue, malgré l'utilisation d'une modélisation de type gradient des flux non-résolus.
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Blin, Laurent. "Modélisation statistique et simulation des grandes échelles des écoulements turbulents. Application aux inverseurs de poussée." Phd thesis, Université de Rouen, 1999. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011645.
Abstract:
Ce travail de thèse a été consacré au développement d'outils numériques pour aider à la compréhension, par simulation numérique, de l'aérodynamique d'un inverseur de poussée à portes (écoulement turbulent compressible). Dans cette étude, nous avons adopté deux approches complémentaires : résolution des équations de Navier-Stokes moyennées RANS (stationnaires) ou filtrées LES (instationnaires). Dans un premier temps, les divers phénomènes physiques présents dans un inverseur de poussée sont décomposés et étudiés séparément. On simule ainsi successivement :(1) un écoulement décollé (marche descendante - calcul RANS),
(2) un écoulement cisaillé libre (couche de mélange plane - calculs RANS et LES),
(3) des écoulements présentant de fortes courbures des lignes de courant (conduite rectangulaire courbée (calcul RANS) et couche de mélange courbe - calculs RANS et LES). Ensuite, deux configurations simplifiées d'inverseurs de poussée à portes sont étudiées numériquement par simulations RANS et LES.
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Truffin, Karine. "Simulation aux grandes échelles et identification acoustique des turbines à gaz en régime partiellement prémélangé." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2005. http://oatao.univ-toulouse.fr/7719/1/truffin1.pdf.
Abstract:
Dans les foyers aéronautiques, une des stratégies adoptée pour réduire l'émission de polluants et faciliter la stabilisation de la flamme, est d'injecter séparément les réactifs dans la chambre de combustion. L'objectif de cette thèse est de développer et de valider l'approche LES (Large Eddy Simulation) de la combustion turbulente partiellement prémélangée dans les turbines à gaz. La conception des nouvelles chambres de combustion moins polluantes, passe par la compréhension de phénomènes instationnaires, tels que les instabilités de combustion. Dans ce contexte, des méthodes pour identifier la réponse de la chambre aux perturbations acoustiques, responsables des instabilités, sont étudiées et améliorées. Dans un premier temps, une étude bibliographique rappelle les caractéristiques essentielles de trois types de combustion rencontrés dans les turbines à gaz (prémélange, diffusion, prémélange partiel). Un état de l'art sur la réduction des schémas cinétiques est proposé à l'issu duquel des schémas cinétiques réduits à deux et quatre étapes sont présentés. Ces schémas ont été développés et validés dans cette thèse. Le modèle de flamme épaissie dynamiquement a été spécialement étendue dans cette thèse aux schémas cinétiques multi-réactions (DTF_MS) en prenant en compte les termes sources de toutes les espèces. Il est intégré dans le code LES AVBP. Ces modèles de combustion doivent prendre en compte les spécificités de la réaction et de l'écoulement: zones de mélange, prémélange à richesse variable, interactions flamme/turbulence, émission de polluants. La deuxième partie décrit les méthodes de mesure des fonctions de transfert. Deux méthodes (FTF et ITM), couramment utilisées numériquement et expérimentalement pour identifier la réponse de la flamme, sont comparées. La formulation FTF est améliorée pour être pleinement compatible avec les approches ITM dans le cadre de l'acoustique linéaire 1D. La troisième partie présente l'étude d'un brûleur propane/air, installé au laboratoire EM2C(Ecole Centrale, Paris). Cette partie représente un premier cas de validation de la LES réactive dans une configuration académique non prémélangée. Les nombreuses comparaisons avec l'expérience permettent de vérifier la qualité de la LES et de mettre en évidence les points à améliorer, en particulier la modélisation de la cinétique. L'évaluation de la réponse instationnaire de la flamme soumise à des perturbations acoustiques est réalisée en comparant les moyennes de phase LES/expérience et en déterminant les fonctions de transfert. Les résultats justifient l'utilisation des méthodes FTF étendues. Enfin, les simulations d'un prototype de brûleur industriel (installé au DLR Institut Technologique de Propulsion à Cologne) ont permis de valider différents points. Tout d'abord, elles montrent que les modèles de combustion sont applicables à une géométrie aussi complexe. Ensuite, elles permettent une première validation des modèles développés dans cette thèse. Les champs moyens obtenus avec deux schémas cinétiques (deux et quatre étapes) sont comparés. Enfin, elles rendent compte de phénomènes instationnaires complexes, tels que les PVC ("Precessing Vortex Core"), les couplages acoustique/hydrodynamique et les instabilités de combustion.
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Leguille, Matthieu. "Étude du cliquetis dans un moteur industriel à allumage commandé par Simulation aux Grandes Échelles." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLC081/document.
Abstract:
Les préoccupations environnementales actuelles ont conduit les constructeurs automobiles à proposer de nouvelles technologies dans le but de réduire les émissions de CO2. Parmi ces technologies, le downsizing appliqué aux moteurs turbocompressés à allumage commandé est une des solutions privilégiées, car permettant d'atteindre des points de fonctionnement fortement chargés, avec un meilleur rendement thermique. Cependant, les fortes charges favorisent l'apparition de cliquetis, un phénomène potentiellement dommageable pour le moteur et qui l'empêche d'exploiter tout son potentiel. Du fait des variabilités cycliques de combustion dans le moteur, le cliquetis, qui dépend des conditions locales dans la chambre de combustion, peut apparaître uniquement sur quelques cycles, à différents endroits et instants. Dans cette thèse, une approche par Simulation aux Grandes Échelles (SGE) a été choisi, dans le but d'étudier et d'améliorer notre compréhension du cliquetis. L'étude se base sur la SGE d'un moteur industriel, le RENAULT 1.2 TCe 115. Un premier ensemble de 30 cycles a été simulé sur un point de fonctionnement de référence, correspondant à un point cliquetant dans la base de données banc d'essais fournie par RENAULT. Les résultats de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux, aussi bien en termes de variabilités cycliques de combustion que de cliquetis. A la suite, un balayage d'avance à l'allumage a été simulé pour étendre la base de données LES à des points plus faiblement et plus fortement cliquetants. La base de données résultante se compose de 150 cycles de combustion, utilisés pour développer des méthodologies et outils, dans le but de mieux caractériser le cliquetis et d'approfondir sa compréhension. L'accès numérique à toute grandeur dans la chambre de combustion, combiné à la description séparée dans cette simulation entre la flamme de pré-mélange initiée par la bougie et l'auto-inflammation dans les gaz frais, ont permis de caractériser le cliquetis en se focalisant sur son origine : l'auto-inflammation. A la suite, les méthodologies et outils développés ont soutenu une analyse détaillée des mécanismes qui contrôlent l'apparition du cliquetis. En particulier, le lien entre le cliquetis et les variabilités cycliques de combustion a été exploré. Les résultats mettent notamment en évidence l'impact des variabilités cycliques, aussi bien de la vitesse de propagation que de la forme de la flamme de pré-mélange, sur le cliquetisThe rising concerns about the environment have led car manufacturers to come up with new engine technologies, in order to reduce the impact of internal combustion engines on CO2 emissions. In this context, downsizing of turbocharged spark-ignition engines has become a commonly used technology, the advantage of which is to operate the engine under thermally more efficient high loads. However, these high loads favour the appearance of potentially damaging knock phenomena, which prevent the engine to fully exploit its potential. Because of cyclic combustion variability (CCV) in the engine, knock, which depends on the local conditions inside the combustion chamber, can appear at different locations and timings and not in all engine cycles. In this thesis, a Large-Eddy Simulation (LES) approach was selected to investigate and further improve our understanding of the appearance of knock. The study is based on the LES of a production engine, the RENAULT 1.2 TCe 115. For this engine, a set of 30 cycles was initially simulated at a single operating point, corresponding to a knocking point in the test bench database from RENAULT. The results were compared to experimental findings, both in terms of CCV and knock. Subsequently, a spark-timing sweep was simulated in order to enlarge the LES database to also include weaker and stronger knock levels. The resulting LES, which consists of 150 combustion cycles, was used to develop methodologies and tools with the objective to better characterize and understand knock. The computational access to any quantity inside the combustion chamber, together with the separate description with the present LES approach between the spark-triggered premixed flame propagation and auto-ignition, were exploited to characterize knock focusing on its source: autoignition in the fresh gases. Then, the developed methodologies and tools supported a detailed analysis of the mechanisms that control the knock onset. In particular, its link with CCV was explored. The results point out the impact of the cyclic variability in the premixed flame propagation speed and shape on knock
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Martinez, Lionel. "Simulation aux grandes échelles de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à combustion interne." Thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://www.theses.fr/2009INPT040H/document.
Abstract:
Les objectifs ambitieux, fixés aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matière d'émission de polluants et de gaz à effet de serre rendent aujourd'hui indispensable une compréhension plus fine de la combustion dans les moteurs. La simulation 3D aux grandes échelles (LES) représente une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Elle permet l'étude de phénomènes transitoires complexes inaccessibles avec des moyens expérimentaux ou des méthodes de calculs traditionnelles de type RANS. Ce travail de thèse est une première étape vers la simulation LES de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à piston. Il a consisté à adapter le code de calcul aux particularités physiques de l'injection directe, technologie qui se généralise actuellement à tous les types de moteurs à piston. Dans un premier temps, et afin de s'affranchir du calcul 3D complexe en sortie d'injecteur, une méthodologie originale, consistant à initier le calcul en aval de l'injecteur, est proposée et validée sur différents cas. Pour la simulation 3D, l'approche Eulérienne mésoscopique, à laquelle est ajouté un modèle d'interaction particules-particules, est utilisée pour simuler le spray. Les simulations ont été premièrement validées par comparaison expérimentale dans des conditions proches de l'injection Diesel. De plus, une étude sur la dynamique du spray a permis de mieux comprendre son évolution et de dégager des points communs avec un jet de gaz turbulent. Des simulations complémentaires ont également montré la prédictivité de la LES sur des injections Diesel réalistes. Enfin, un premier calcul moteur à injection directe a été réalisé et a permis de valider les développements réalisés dans le cadre de cette thèseCar manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consumption. To respect these regulations, a better understanding of combustion processes is needed. Large Eddy Simulation (LES) is becoming a promising tool for such issues as it allows the study of complex unsteady phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments. The present work is a step towards the LES of liquid injection in piston engines. The numerical code has been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry. Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break-up and turbulence in the near-nozzle region, an original methodology, based on an injector model, has been proposed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit. Then LES 3D simulations of spray have been conducted using the Eulerian Mesoscopic approach extended to dense dispersed sprays by the addition of a particle-particle interactions model. The simulation results have been validated by comparison with experimental data in Diesel conditions with a low injection pressure. Furthermore a study on the spray dynamics has permitted to better understand its development and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work