Дисертації з теми "Combustion Simulations"
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Tajiri, Kazuya. "Simulations of combustion dynamics in pulse combustor." Thesis, Georgia Institute of Technology, 2001. http://hdl.handle.net/1853/12175.
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Sone, Kazuo. "Unsteady simulations of mixing and combustion in internal combustion engines." Thesis, Georgia Institute of Technology, 2001. http://hdl.handle.net/1853/12171.
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Hilbert, Renan. "Etude de la combustion turbulente non prémélangée et partiellement prémélangée par simulations numériques directes." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2002. http://www.theses.fr/2002ECAP0856.
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Ce travail présente l’étude de flammes turbulentes non-prémélangées et partiellement prémélangées par simulations numériques directes (DNS) en utilisant des modèles détaillés de chimie de transport. L’interaction entre une flamme H2/Air et un champ de turbulence est simulée et l’influence de la diffusion différentielle sur la structure de la flamme est qualifiée. On note en particulier l’absence de corrélation entre la température de flamme et le taux de dissipation scalaire quand un modèle de transport élaboré est utilisé, ainsi qu’une modification de la limite d’équilibre. Le ré-établissement de l’équation de flammelettes avec la prise en compte d’un nombre de Lewis non unitaire pour la fraction de mélange Z permet de prendre en compte, au moins partiellement, cet effet. Une simulation de l’interaction entre une flamme non-prémélangée H2/Air et une paire de tourbillons avec des modèles détaillés de chimie et de transport a été réalisée, post traitée et analysée. Une extinction de la flamme est observée et la structure partiellement prémélangée au bord de la zone réactive est étudiée. On montre que le radical OH est un bon traceur de la zone d’extinction de la flamme, mais qu’il ne « voit » pas l’intensification de l’activité chimique dans les zones partiellement prémélangées. L’auto-allumage d’une flamme turbulente non prémélangée a été examiné. Les résultats de DNS permettent d’extraire des informations sur la prévision de la localisation du premier site d’autoallumage, sur l’influence du modèle de transport et sur la structure partiellement prémélangée observée. La répétition des calculs permet une étude statistique de l’influence de la turbulence sur le temps d’allumage. Le test a priori d’un nouveau modèle de combustion turbulente basé sur le concept de densité de surface de flamme généralisée donne de premiers résultats prometteurs.
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Lindberg, Jenny. "Experiments and simulations of lean methane combustion." Licentiate thesis, Luleå, 2004. http://epubl.luth.se/1402-1757/2004/61.
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Shaw, Rebecca Custis Riehl. "Combining combustion simulations with complex chemical kinetics." Thesis, University of Cambridge, 2013. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.648248.
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Aubagnac-Karkar, Damien. "Sectional soot modeling for Diesel RANS simulations." Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2014. http://www.theses.fr/2014ECAP0061/document.
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Les particules de suies issues de moteur Diesel constituent un enjeu de santé publique et sont soumises à des réglementations de plus en plus strictes. Les constructeurs automobiles ont donc besoin de modèles capables de prédire l’évolution en nombre et en taille de ces particules de suies. Dans ce cadre, un modèle de suies basé sur une représentation sectionnelle de la phase solide est proposé dans cette thèse. Le choix de ce type d’approche est d’abord justifié par l’étude de l’état de l’art de la modélisation des suies. Le modèle de suies proposé est ensuite décrit. A chaque instant et en chaque point du maillage, les particules de suies sont réparties en sections selon leur taille et l’évolution de chaque section est gouvernée par : • une équation de transport;• des termes sources modélisant l’interaction avec la phase gazeuse (nucléation, condensation, croissance de surface et oxydation des suies);• des termes sources collisionnels permettant de représenter les interactions entre suies (condensation et coagulation). Ce modèle de suies nécessite donc la connaissance des concentrations locales et instantanées des précurseurs de suies et des espèces consommées par les schémas de réactions de surface des suies. Les schémas fournissant ces informations pour des conditions thermodynamiques rencontrées dans des moteurs Diesel comportant des centaines d’espèces et des milliers de réactions, ils ne peuvent être utilisés directement dans des calculs de CFD. Pour pallier cela, l’approche de tabulation de la chimie VPTHC (Variable Pressure Tabulated Homogeneous Chemistry) a été proposée. Cette approche est basée sur l’approche ADF (Approximated Diffusion Flame) qui a été simplifiée pour permettre son emploi couplé au modèle de suies sectionnel. Dans un premier temps, la capacité du modèle tabulé à reproduire la cinétique chimique a été validée par comparaison des résultats obtenus avec ceux de réacteurs homogènes avec loi de piston équivalents. Finalement, le modèle VPTHC, couplé au modèle de suies sectionnel, a été validé sur une base d’essais moteur dédiée avec des mesures de distribution en taille de suies à l’échappement. Cette base comporte des variations de durée d’injection, de pression d’injection et de taux d’EGR à la fois pour un carburant Diesel commercial et pour le carburant modèle utilisé dans les calculs. Les prédictions des débits horaires de suies et des distributions à l’échappement obtenues sont en bon accord avec les mesures.Ensuite, les résultats du modèle ont été comparés avec les mesures plus académiques et détaillées du Spray A de l’Engine Combustion Network, un spray à haute pression et température. Cette seconde validation expérimentale a permis l’étude du comportement du modèle dans des régimes transitoiresSoot particles emitted by Diesel engines cause major public health issues. Car manufacturers need models able to predict soot number and size distribution to face the more and more stringent norms.In this context, a soot model based on a sectional description of the solid phase is proposed in this work. First, the type of approach is discussed on the base of state of the art of the current soot models. Then, the proposed model is described. At every location and time-step of the simulation, soot particles are split into sections depending on their size. Each section evolution is governed by: • a transport equation;• source terms representing its interaction with the gaseous phase (particle inception, condensation surface growth and oxidation);• source terms representing its interaction with other sections (condensation and coagulation).This soot model requires the knowledge of local and instantaneous concentrations of minor species involved in soot formation and evolution. The kinetic schemes including these species are composed of hundreds of species and thousands of reactions. It is not possible to use them in 3D-CFD simulations. Therefore, the tabulated approach VPTHC (Variable Pressure Tabulated Homogeneous Chemistry) has been proposed. This approach is based on the ADF approach (Approximated Diffusion Flame) which has been simplified in order to be coupled with the sectional soot model. First, this tabulated combustion model ability to reproduce detailed kinetic scheme prediction has been validated on variable pressure and mixture fraction homogeneous reactors designed for this purpose. Then, the models predictions have been compared to experimental measurement of soot yields and particle size distributions of Diesel engines. The validation database includes variations of injection duration, injection pressure and EGR rate performed with a commercial Diesel fuel as well as the surrogate used in simulations. The model predictions agree with the experiments for most cases. Finally, the model predictions have been compared on a more detailed and academical case with the Engine Combustion Network Spray A, a high pressure Diesel spray. This final experimental validation provides data to evaluate the model predictions in transient conditions
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Calhoon, William Henry Jr. "On subgrid combustion modeling for large-eddy simulations." Diss., Georgia Institute of Technology, 1996. http://hdl.handle.net/1853/12336.
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Fujita, Akitoshi. "Numerical Simulations of Spray Combustion and Droplet Evaporation." 京都大学 (Kyoto University), 2011. http://hdl.handle.net/2433/142213.
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Barsanti, Patricia Sylvia. "Simulations of confined turbulent explosions." Thesis, University of Cambridge, 1994. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.261538.
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Correa, Chrys. "Combustion simulations in Diesel engines using reduced reaction mechanisms." [S.l. : s.n.], 2000. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=961521937.
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Yu, Huidan. "Lattice Boltzmann equation simulations of turbulence, mixing, and combustion." Texas A&M University, 2004. http://hdl.handle.net/1969.1/3081.
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We explore the capability of lattice Boltzmann equation (LBE) method for complex
fluid flows involving turbulence, mixing, and reaction.
In the first study, LBE schemes for binary scalar mixing and multi-component
reacting flow with reactions are developed. Simulations of initially non-premixed
mixtures yield scalar probability distribution functions that are in good agreement
with numerical data obtained from Navier-Stokes (NS) equation based computation.
One-dimensional chemically-reacting flow simulation of a premixed mixture yields a
flame speed that is consistent with experimentally determined value.
The second study involves direct numerical simulation (DNS) and large-eddy
simulation (LES) of decaying homogenous isotropic turbulence (HIT) with and without
frame rotation. Three categories of simulations are performed: (i) LBE-DNS in
both inertial and rotating frames; (ii) LBE-LES in inertial frame; (iii) Comparison
of the LBE-LES vs. NS-LES. The LBE-DNS results of the decay exponents for kinetic
energy k and dissipation rate ε, and the low wave-number scaling of the energy
spectrum agree well with established classical results. The LBE-DNS also captures
rotating turbulence physics. The LBE-LES accurately captures low-wave number
scaling, energy decay and large scale structures. The comparisons indicate that the
LBE-LES simulations preserve flow structures somewhat more accurately than the
NS-LES counterpart.
In the third study, we numerically investigate the near-field mixing features in low
aspect-ratio (AR) rectangular turbulent jets (RTJ) using the LBE method. We use
D3Q19 multiple-relaxation-time (MRT) LBE incorporating a subgrid Smagorinsky
model for LES. Simulations of four jets which characterized by AR, exit velocity,
and Reynolds number are performed. The investigated near-field behaviors include:
(1) Decay of mean streamwise velocity (MSV) and inverse MSV; (2) Spanwise and
lateral profiles of MSV; (3) Half-velocity width development and MSV contours; and
(4) Streamwise turbulence intensity distribution and spanwise profiles of streamwise
turbulence intensity. The computations are compared against experimental data and
the agreement is good. We capture both unique features of RTJ: the saddle-back
spanwise profile of MSV and axis-switching of long axis from spanwise to lateral
direction.
Overall, this work serves to establish the feasibility of the LBE method as a
viable tool for computing mixing, combustion, and turbulence.
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Papadogiannis, Dimitrios. "Coupled Large Eddy Simulations of combustion chamber-turbine interactions." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2015. http://oatao.univ-toulouse.fr/14169/1/Papadogiannis_partie_1_sur_3.pdf.
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Modern gas turbines are characterized by compact designs that enhance the interactions between its different components. Combustion chamber-turbine interactions, in particular, are critical as they may alter the aerothermal flow field of the turbine which can drastically impact the engine life duration. Current state-of-the-art treats these two components in a decoupled way and does not take into account their interactions. This dissertation proposes a coupled approach based on the high-fidelity Large Eddy Simulation (LES) formalism that can take into account all the potential paths of interactions between components. In the first part of this work, an overset grid method is proposed to treat rotor/stator configurations in a rigorous fashion that is compatible with the LES solver AVBP. This interface treatment is shown not to impact the characteristics of the numerical schemes on a series of academic test cases of varying complexity. The approach is then validated on a realistic high-pressure turbine stage. The results are compared against experimental measurements and the influence of different modeling and simulation parameters is evaluated. The second part of this work is dedicated to the prediction of combustion chamber-turbine interactions using the developed methodologies. The first type of interactions evaluated is the indirect combustion noise generation across a high-pressure turbine stage. This noise arises when combustor-generated temperature heterogeneities are accelerated in the turbine. To simplify the simulations the heterogeneities are modeled by sinusoidal temperature fluctuations injected in the turbine through the boundary conditions. The noise generation mechanisms are revealed by such LES and the indirect combustion noise is measured and compared to an analytical theory and 2D predictions. The second application is a fully-coupled combustor-turbine simulation that investigates the interactions between the two components from an aerothermal point of view. The rich flow characteristics at the turbine inlet, issued by the unsteady combustion in the chamber, are analyzed along with the migration of the temperature heterogeneities. A standalone turbine simulation serves as a benchmark to compare the impact of the fully coupled approach.
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Vasudevan, Raghavan. "Thermal diffusion coefficient modeling for high pressure combustion simulations." Connect to this title online, 2007. http://etd.lib.clemson.edu/documents/1202500574/.
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Wood, Michael Philip. "Numerical simulations of temperature mapping in industrial combustion environments." Thesis, University of Manchester, 2013. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/numerical-simulations-of-temperature-mapping-in-industrial-combustion-environments(4d770272-abcd-45d4-8d7b-33cfffa61010).html.
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This thesis presents the results from a set of numerical experiments of two-dimensional gas temperature imaging using laser absorption spectroscopy inside a turbofan engine. This measurement environment is characterised by temperatures of 2000 K, pressures of 45 bar, and extremely limited access for the installation of measurement hardware, which renders invasive measurement (thermocouple arrays) or direct imaging (PLIF or pyrometry) methods unviable. An alternative approach is indirect imaging of the temperature, whereby the transmittance of a near-infrared laser light through the gas is measured and used to make inferences about the properties of the gas along the beam; specifically, its temperature, pressure, and molecular constitution. The frequency of the light is chosen to interrogate particular molecular transitions of a target species—water—in such a way that the fraction of light measured at the detector depends on the temperature of the gas through which it has passed. This is an established measurement technique known as tuneable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), but it is possible to extend this method to two dimensions if the transmittance measurements are made over set of coplanar beams that transect the measurement region. Using the principles of tomographic inversion, it becomes possible to image not only the two-dimensional temperature distribution within a gas, but also the pressure and molecular species concentration distributions. In this thesis, extensive numerical simulations are used to critically evaluate this approach when applied to the particular case of the turbine engine, and a new methodology is developed for use in this environment which opens up—for the first time, to the best of the author’s knowledge—the possibility of tomographic reconstruction of a gas pressure. This is challenging because the gas pressure has a strong influence on not only the width of absorption lines, but of their positions on the spectrum, with each line being affected in a different way. To overcome and eventually exploit this dependence, a robust approach which the author terms the spectral fitting approach is developed and tested against the two main existing methods found in the literature: integrated absorbance and peak absorption reconstructions. The spectral fitting approach was found to outperform both methods not only in the high-pressure regime, but throughout the tested pressure range (1-70 bar).The numerical tests were also applied to more realistic measurement environments, including annular measurement regions (modelling the opaque central driveshaft of a turbine engine) with non-uniform molecular species concentrations and gas pressures. In these investigations, the temperature was reconstructed with a relative root-mean-squared error of 2.47%. This demonstrates the theoretical feasibility of tomographic reconstructions of gas temperature in the turbine environment. Numerical optimisation of the methodology is also addressed. The geometric arrangement of beams through the measurement region is investigated with a view to maximise the quality of the reconstructed image, and a new design rule is analytically derived and then applied to generate a set of viable beam arrangements that perform competitively when compared to more conventional regular arrangements. The selection of laser frequencies is also optimised in the specific case of high-pressure spectroscopy, and two near-infrared transitions are suggested as a possible candidate pair for experimental verification.
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LI, YANJUN. "Flame Spread in Confined Spaces: Microgravity Experiments and Numerical Simulations." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2021. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1623863431539671.
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Collin, Félix. "Modeling and numerical simulations of two-phase ignition in gas turbine." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0053.
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Afin de répondre aux nouvelles réglementations environnementales internationales tout en maintenant une forte compétitivité économique, des technologies innovantes de chambres de combustion aéronautiques sont développées. Ces technologies doivent garantir un rallumage rapide en cas d’extinction, qui est un des aspects les plus critiques et complexes de la conception moteur. La maîtrise de cette phase implique une compréhension approfondie des phénomènes physiques mis en jeu. Dans cette thèse la séquence d’allumage diphasique de moteur aéronautique a été étudiée dans son intégralité, du claquage de la bougie à la propagation de la flamme dans le moteur complet. Dans cet objectif, des Simulations aux Grandes Échelles (SGE) utilisant une description détaillée de la phase liquide (formalisme Euler-Lagrange) et du processus de combustion (Chimie Analytiquement Réduite) ont été réalisées. Les résultats ont également permis de développer un modèle simplifié pour la prédiction de carte de probabilité d’allumage, particulièrement utile pour le dimensionnement et la conception des chambres de combustionIn order to meet the new international environmental regulations while maintaining a strong economic competitiveness, innovative technologies of aeronautical combustion chambers are developed. These technologies must guarantee fast relight in case of extinction, which is one of the most critical and complex aspects of engine design. Control of this phase involves a thorough understanding of the physical phenomena involved. In this thesis the full two-phase ignition sequence of an aeronautical engine has been studied, from the breakdown of the spark plug to thepropagation of the flame in the complete engine. For this purpose, Large-Eddy Simulations (LES) using a detailed description of the liquid phase (Euler-Lagrange formalism) and of the combustion process (Analytically Reduced Chemistry) were performed. The results also led to the development of a simplified model for the prediction of ignition probability map, which is particularly useful for the design of combustion chambers
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Cuif, Sjöstrand Marianne. "Simulations Numériques Directes d’une méso-chambre de combustion : Mise en oeuvre et analyses." Thesis, Rouen, INSA, 2012. http://www.theses.fr/2012ISAM0022/document.
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La méso-combustion est le régime de combustion où la taille caractéristique du domaine est juste supérieure à la distance de coincement de la flamme , typiquement de l'ordre du centimètre. La difficile réalisation de systèmes de combustion fonctionnant en ce régime de flamme particulier suscite l'intérêt : il devient alors possible de tirer parti de la haute densité énergétique des hydrocarbures pour concevoir des systèmes de production d'énergie plus compacts. Nous nous intéressons à la réalisation de calculs DNS compressibles d'une chambre de combustion cubique de 8 x 10 x 8 mm3. Ce travail présente autant la mise en œuvre des calcules, en particulier la problématique de la condition frontière mur, que les résultats obtenus. Ces derniers nous permettent d'analyser la phénoménologie complexe de cet écoulement réactif confiné et serviront de base à des modélisations futuresMeso-combustion can be defined as the combustion regime where the involved lenghts scales are close but slightly larger than the quenching distance of the flame, tipically smaller than a cm. By taking advantage of the high energetic density of liquid hydrocarbons, it would become possible to build small-sized combustion-based long-lived lighter electrical power systems. However combsution phenomena at these meso-scales have their own shortcomings. Indeed, by decreasing the system size, the usual phenomenological balance betwenne chemical reactions, mixing, turbulence and heat transfer is changed. In the present work, we focus on the DNS calculation of a cubic meso-combsution chamber of 8 x 10 x 8 mm3. This works presents the implementation of the numerical strategy used, with a specific attention to the no-slip wall compressible boundary condition. We then present an analysis of this particular reactive flow. The results are useful for future modeling of such a combustor
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Legier, Jean-Philippe. "Simulations numériques des instabilités de combustion dans les foyers aéronautiques." Toulouse, INPT, 2001. http://www.theses.fr/2001INPT029H.
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Le développement des nouvelles chambres de combustion moins polluantes, présentées en première partie de ce mémoire, passe par la compréhension de phénomènes instationnaires tels que les instabilités de combustion. La simulation des grandes structures instationnaires de la turbulence (LES), associée à des modèles de combustion permet l'étude de ces phénomènes. La deuxième partie de ce mémoire présente le modèle de flamme épaissie dynamique et le schéma cinétique PEA, développés pour prendre en compte les spécificités de la réaction et de l'écoulement dans les foyers aéronautiques : zones de mélange, flammes de diffusion et de prémélange à richesse variable. Ces modèles sont implantés dans le code parallèle AVBP présenté au chapitre 3. Ces modèles ont été validés par l'étude d'un brûleur propane/air bidimensionnel, installé au laboratoire EM2C (Châtenay Malabry). Les comparaisons réalisées avec des résultats expérimentaux portent sur des champs moyens, et sur l'évaluation de la réponse instationnaire de la flamme soumise à des perturbations. Ceci est réalisé en déterminant le facteur d'amplification n et le temps de retard T de la réponse de la flamme. La mesure de n et T a été réalisée expérimentalement et numériquement avec la même procédure, ce qui constitue une originalité et un point fort de ce travail. Une comparaison directe des champs de vitesse et taux de réaction instantanés a aussi été réalisée. Ces comparaisons valident l'utilisation de la LES et du modèle de flamme épaissie dynamique pour l'étude et la prévision des instabilités de combustion. Enfin, la simulation d'une configuration industrielles (l'injecteur LPP BE01) montre que les modèles de combustion et de LES sont applicables à une géométrie complexe. Les résultats retrouvent les deux régimes de stabilisation de la flamme observés expérimentalement. L'étude d'un régime transitoire analogue au phénomène de Flash-Back a été réalisée.
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Goncalves, Dos santos Rogério. "Large Eddy simulations of turbulent combustion including radiative heat transfer." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2008. http://www.theses.fr/2008ECAP1052.
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La combustion est actuellement l’un des principaux moyens de convertir l’énergie. Elle reste cependant un phénomène complexe, où des écoulements turbulents, des réactions chimiques, la présence de plusieurs phases et différentes formes de transfert de chaleur peuvent interagir. Mieux comprendre ces interactions est essentiel pour l’amélioration des systèmes actuels de combustion et dans le développement de leurs successeurs. Le but de cette thèse est d’étudier l’interaction entre la combustion turbulente et le rayonnement thermique à l’aide de la simulation numérique en trois dimensions. Pour cela nous utilisons un outil informatique appelé CORBA pour faire communiquer un code dédié à la simulation aux grandes échelles (ou LES, pour Large Eddy Simulation en anglais) de la combustion avec un autre code qui calcule le rayonnement thermique. Cette technique permet l’échange de données entre les codes sans modifier les caractéristiques et la structure de chacun de ces codes. De plus il possible de profiter des temps caractéristiques différents de chaque phénomène physique pour optimiser les calculs sur des calculateurs à architecture massivement parallèle. Dans un premier temps, des simulations bidimensionnelles d’une flamme turbulente prémélangée propane/air stabilisée en aval d’un dièdre ont été réalisées. Après le changement du code de rayonnement pour un code tridimensionnel, la même configuration, du dièdre, a été simulée en 3D. Un maillage avec plus de 4. 7 millions de cellules pour le code de combustion (AVBP) et un autre avec plus de 3. 3 millions de cellules pour le code de rayonnement (DOMASIUM) ont été utilisés. Les résultats montre un changement dans les champsThe combustion is one of the principal ways to produced energy used nowadays, it is also a complex phenomenon, where the turbulent flow, chemical reactions, different phases and different heat transfer phenomena can interact. Better understanding of these interactions is essential to improve the actual combustion system and to developed the new ones. The goal of this thesis is to study the interaction of the turbulent combustion with the thermal radiation by the use of three-dimensional numerical simulation. For that, using a computational tool named CORBA, a code for the combustion Large Eddy Simulation (LES) was coupled with a radiative heat transfer code. This technique allows the exchange of information between the two codes without big changes in their structure, then it is possible to take advantages of the different characteristic time from each phenomenon in a high performance parallel computational environment. In a first time, two-dimensional simulation of a turbulent propane/air premixed flame stabilized downstream a triangular flame holder has been realised. After the changing of the twodimensional radiation code for another three-dimensional one, the same configuration was simulated in 3D. A mesh with more than 4. 7 millions cells for the combustion code (AVBP) and more than 3. 3 millions cells for the radiation code (DOMASIUM) are used. Results show a changing in the temperature and species fields, as well as in the flame dynamics when the thermal radiation was taken into account, with a minor intensity in the three-dimensional simulations. This method, also, shows that it is possible to perform 3D complex simulations in a industrial acceptable time
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ZANONI, M. A. B. "Smoldering Combustion In Porous Media Kinetic Models For Numerical Simulations." Universidade Federal do Espírito Santo, 2012. http://repositorio.ufes.br/handle/10/4161.
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Previous issue date: 2012-03-05Tecnologias avançadas para a geração de energia usando combustíveis não convencionais xisto betuminoso e seu semi-coque, areias betuminosas, petróleo extra-pesado e biomassa proveniente de resíduos sólidos urbanos e de lodo de esgoto - têm em comum processos termoquímicos compostos de complexas reações químicas. Este trabalho trata da formulação e otimização de mecanismos químicos normalmente envolvidos na pirólise do xisto betuminoso e na combustão do xisto betuminoso e seu semi-coque. Problemas inversos (usando o algoritmo de Levenberg-Marquardt) foram empregados para minimizar o erro entre os valores estimados e os dados de termogravimétria para os mecanismos de reação de 3 passos para a pirólise do xisto betuminos, e mecanismos de 4 e 3 passos para o xisto betuminoso e seu semi-coque, respectivamente. Os parâmetros cinéticos, tais como ordem de reação, fator pré-exponencial, energia de ativação e os coeficientes estequiométricos que afetam a secagem, as reações de oxidação, pirólise e descarbonatação foram estimadas com sucesso. Além disso, os erros estatísticos e residuais foram avaliados, resultando em um valor razoável para todas as estimativas e o mecanismo cinético proposto e estimado para a combustão do semi-coque foi aplicado em um código em meios porosos. Um estudo paramétrico entre o perfil de temperatura e a velocidade do ar, e o perfil de temperatura e a concentração de carbono fixo foi desenvolvido. Este estudo mostra que o perfil de temperatura é extremamente influenciado por estes parâmetros, confirmando que a propagação da frente é controlada pela injeção de O2. Palavras-chave: Xisto Betuminoso, Semi-Coque, Pirólise, Combustão, Estimação de Parâmetros, Problemas Inversos, Levenberg-Marquardt, Meios Porosos.
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Tyves, Natalie. "Numerical simulations of turbulent non-premixed combustion in a regenerative furnace." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1999. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk3/ftp04/mq52670.pdf.
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Abdelsamie, Abouelmagd [Verfasser]. "Direct numerical simulations of turbulent flow and spray combustion / Abouelmagd Abdelsamie." Magdeburg : Universitätsbibliothek, 2017. http://d-nb.info/1136955100/34.
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Sensiau, Claude. "Simulations numériques des instabilités thermoacoustiques dans les chambres de combustion annulaires." Montpellier 2, 2008. http://www.theses.fr/2008MON20155.
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Les instabilités thermoacoustiques résultent du couplage entre les phénomènes instationnaires de combustion et les modes propres acoustiques basse fréquence de la configuration. Ce phénomène dégrade considérablement les performances du moteur et peut engendrer sa destruction. Ces instabilités sont pourtant couramment observées par les concepteurs de moteurs aéronautiques ou de turbines à gaz industrielles lors des essais et restent très difficiles à maîtriser. Dans cette thèse est proposée une méthodologie pour le calcul numérique de ces instabilités thermoacoustiques applicable sur des géométries industrielles annulaires complexes. Le couplage acoustique-combustion est modélisé par une équation de Helmholtz munie d'un terme spécifique aux écoulements réactifs. La discrétisation de cette équation par une méthode de type éléments finis conduit à la résolution d'un problème aux valeurs propres non linéaire, matriciel, de taille N le nombre de noeuds du maillage. La combinaison d'un algorithme de point fixe avec des méthodes de sous espace (Arnoldi intégré dans ARPACK et Jacobi-Davidson) permet de traiter ce type de problème efficacement. Les chambres de combustion aéronautiques présentant généralement des géométries annulaires multi-injecteurs, une fonction de transfert de flamme (n-tau) multi-référencée est proposée. Ce modèle montre l'existence de mode azimutaux amortis ou amplifiés, stationnaires ou tournants, selon le paramètre tau de la fonction de transfert. Cette méthodologie intégrée dans la chaîne de calcul QUIET (AVBP-N3S-NOZZLE-AVSP) est utilisée pour faire l'étude thermoacoustique de la chambre équipant le moteur ARDIDEN développé par Turbomeca. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les simulations grandes échelles de la chambre annulaire complèteThermoacoustic instabilities are spontaneously excited by a feedback loop between an oscillatory combustion process and one of the natural acoustic modes of the combustor. This phenomenon causes loss of performance and severe damages to the engine. However, aeronautical engines or gaz turbines manufacturers often observe this kind of instabilities during the experiments. In this work we propose a methodology dedicated to the computation of thermoacoustic instabilities usable in an industrial context. The coupling between acoustics and combustion is accounted for thanks to a specific Helmholtz equation including a reacting flow term. Using a finite element approach leads to an algebraic non-linear eigenvalue problem with N dimensions (N the number of nodes in the mesh). A point fix algorithm mixed with subspace iterative methods (Arnoldi implemented in ARPACK or Jacobi-Davidson) permits to solve this problem efficiently. Because aeronautical combustors usually present an annular shape with 10 to 20 injectors located all over the circumference, a multi-referenced (n-tau) flame transfer function is proposed. This thermoacoustic model shows amplified or damped, standing or spinning azimuthal modes depending on the parameter tau. This methodology is integrated in the calculation chain QUIET (AVBP-N3S-NOZZLE-AVSP) and it is used to study thermoacoustic instabilities of the Turbomeca ARDIDEN engine. The results are shown to be in good accordance with large eddy simulations of the whole combustor
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Ruiz, Anthony. "Unsteady Numerical Simulations of Transcritical Turbulent Combustion in Liquid Rocket Engines." Thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://www.theses.fr/2012INPT0009/document.
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Ces cinquantes dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée des phénomènes de combustion, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l’injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustionIn the past fifty years, most design parameters of the combustion chamber of Liquid Rocket Engines (LREs) have been adjusted without a detailed understanding of combustion phenomena, because of both limited experimental diagnostics and numerical capabilities. The objective of the present thesis work is to conduct high-fidelity unsteady numerical simulations of transcritical reacting flows, in order to improve the understanding of flame dynamics in LRE, and eventually provide guidelines for their improvement. First real-gas thermodynamics and its impact on numerical schemes are presented. As Large-Eddy Simulation (LES) involves filtered equations, the filtering effects induced by real-gas thermodynamics are then highlighted in a typical 1D transcritical configuration and a specific real-gas artificial dissipation is proposed to smooth transcritical density gradients in LES. Then, a Direct Numerical Simulation (DNS) study of turbulent mixing and combustion in the near-injector region of LREs is conducted. In the non-reacting case, vortex shedding in the wake of the lip of the injector is shown to play a major role in turbulent mixing, and induces the formation of finger-like structures as observed experimentally in similar operating conditions. In the reacting case, the flame is attached to the injector rim without local extinction and the finger-like structures disappear. The flame structure is analyzed and various combustion modes are identified. Finally, a LES study of a transcritical H2/O2 jet flame, issuing from a coaxial injector with and without inner recess, is conducted. Numerical results are first validated against experimental data for the injector without recess. Then, the recessed configuration is compared to the reference solution and to experimental results, to scrutinize the effects of this design parameter on combustion efficiency
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Palluotto, Lorella. "Prédiction du transfert radiatif au sein d’une flamme prémélangée swirlée à l’aide d’une méthode Quasi-Monte Carlo couplée à la simulation aux grandes échelles." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC034/document.
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La prédiction des flux aux parois joue un rôle déterminant dans le cycle de vie des chambres de combustion. Le transfert de chaleur de la flamme aux parois est entraîné, outre la convection, également par le rayonnement des gaz chauds au sein de la chambre. Afin d’intégrer les contributions convectives et radiatives au flux pariétal il est nécessaire de résoudre simultanément l’équation de transfert radiatif et les équations régissant l’écoulement réactif. Quand les méthodes de Monte Carlo sont couplées aux simulations aux grandes échelles (LES), de telles simulations deviennent très coûteuses. L’objectif de cette thèse est donc d’investiguer une technique pour améliorer l’efficacité de la méthode MC, basée sur un mécanisme alternatif d’échantillonnage appelée intégration Quasi-Monte Carlo (QMC). Au cours de cette thèse, la méthode QMC a été couplée à une simulation LES dans une configuration où le rayonnement joue un rôle très important : la flamme méthane-air de la chambre Oxytec. La comparaison entre les simulations couplées et non couplées avec les données expérimentales montre que le rayonnement thermique a un impact sur la topologie de l’écoulement et de la flamme. Enfin, un bon accord est trouvé entre le flux de chaleur pariétal prédit par la simulation et les données expérimentalesThe prediction of wall fluxes is a significant aspect in the life cycle of combustors, since it allows to prevent eventual wall damages. Heat transfer from flame to the walls is driven, apart from convection, also by radiation of burnt gases inside the chamber. In order to correctly account for both convective and radiative contributions to wall fluxes, the simultaneous solution of the radiative transfer equation (RTE) and the governing equations for reactive flows is required. However, multi-physics simulations where MC methods are coupled to Large Eddy Simulation (LES), remain very costly. The purpose of this study is then to investigate improvements of MC methods, by using an alternative sampling mechanism for numerical integration usually referred to as Quasi-Monte Carlo (QMC) integration. In this study, QMC method is coupled to Large Eddy Simulation (LES) of a configuration where the radiation plays an important role: the methane-air flame investigated during the experimental campaign Oxytec. Coupled and non-coupled simulations are compared and their comparison with experimental data shows that thermal radiation has an impact on both flow and flame topology. Finally a good agreement is found between numerical wall fluxes and experimental conductive fluxes
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Ayache, Simon Victor. "Simulations of turbulent swirl combustors." Thesis, University of Cambridge, 2012. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/243609.
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This thesis aims at improving our knowledge on swirl combustors. The work presented here is based on Large Eddy Simulations (LES) coupled to an advanced combustion model: the Conditional Moment Closure (CMC). Numerical predictions have been systematically compared and validated with detailed experimental datasets. In order to analyze further the physics underlying the large numerical datasets, Proper Orthogonal Decomposition (POD) has also been used throughout the thesis. Various aspects of the aerodynamics of swirling flames are investigated, such as precession or vortex formation caused by flow oscillations, as well as various combustion aspects such as localized extinctions and flame lift-off. All the above affect flame stabilization in different ways and are explored through focused simulations. The first study investigates isothermal air flows behind an enclosed bluff body, with the incoming flow being pulsated. These flows have strong similarities to flows found in combustors experiencing self-excited oscillations and can therefore be considered as canonical problems. At high enough forcing frequencies, double ring vortices are shed from the air pipe exit. Various harmonics of the pulsating frequency are observed in the spectra and their relation with the vortex shedding is investigated through POD. The second study explores the structure of the Delft III piloted turbulent non-premixed flame. The simple configuration allows to analyze further key combustion aspects of combustors, with further insights provided on the dynamics of localized extinctions and re-ignition, as well as the pollutants emissions. The third study presents a comprehensive analysis of the aerodynamics of swirl flows based on the TECFLAM confined non-premixed S09c configuration. A periodic component inside the air inlet pipe and around the central bluff body is observed, for both the inert and reactive flows. POD shows that these flow oscillations are due to single and double helical vortices, similar to Precessing Vortex Cores (PVC), that develop inside the air inlet pipe and whose axes rotate around the burner. The combustion process is found to affect the swirl flow aerodynamics. Finally, the fourth study investigates the TECFLAM configuration again, but here attention is given to the flame lift-off evident in experiments and reproduced by the LES-CMC formulation. The stabilization process and the pollutants emission of the flame are investigated in detail.
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Lamouroux, Jean. "Modélidation de la combustion diluée par tabulation de la cinétique chimique." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00905523.
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Cette thèse se situe dans le cadre du projet CANOE, piloté par GDF SUEZ et l'ADEME, qui vise à étudier la faisabilité et la viabilité du régime de combustion sans flamme dans les chaudières industrielles. Il est maintenant établi que le préchauffage des réactifs permet d'améliorer le rendement thermique et de diminuer la consommation de combustible d'une configuration. Pour contourner la formation d'oxydes d'azote résultant de l'augmentation de température des réactifs, ces derniers peuvent être massivement dilués par des produits de combustion. Cela permet d'éviter la formation de points chauds et d'homogénéiser les gradients de température: c'est le principe de la combustion sans flamme. L'objectif de cette thèse est de développer un modèle de combustion turbulente adapté à ce type de régime. La cinétique chimique complexe et le contrôle des pertes thermiques est d'une importance capitale dans l'établissement et la stabilisation du processus de combustion sans flamme. Ici, ces effets sont considérés dans une approche de tabulation de la cinétique chimique de type FPV. Pour discriminer les effets associés aux évolutions suivant les paramètres de contrôle de nos bases de données, on effectue une analyse des réponses de flammes laminaires à différents niveaux de dilution et de pertes thermiques. De plus, nous évaluons l'importance de l'utilisation de tabulations de dimensions élevées, et les capacités prédictives des méthodes de tabulation développées sont mises en exergue. Puis, des simulations aux grandes échelles de la turbulence de configurations adiabatique et à parois refroidies sont effectuées. On compare des tabulations de nombre de degrés de libertés variés aux données expérimentales. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec ces dernières pour les tabulations les plus complexes, alors que des limitations significatives apparaissent pour des tabulations de dimensions inférieures. Les simulations proposées indiquent la capacité de nos modèles à reproduire des structures de flammes réalistes.
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Sainte-Rose, Bruno. "Simulations numériques d'écoulements réactifs massivement décollés par une approche hybride RANS/LES." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00635538.
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Les premières simulations numériques d'écoulements réactifs sur des configurationscomplexes ont été réalisées à l'aide d'approches RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Ces dernières, bien adaptées aux écoulements de type couches limites attachées et relativement peu coûteuses en temps de calcul, ne donnent accès qu'à des résultats stationnaires qui s'éloignent parfois de la réalité. Pour réaliser des simulations instationnaires d'écoulements, les méthodes de type LES (Large Eddy Simulation) -- plus précises mais plus coûteuses -- sont de plus en plus utilisées. Cependant, ces méthodes sont mal adaptées à la simulation de la dynamique pariétale, car elles nécessitent un effort de maillage souvent prohibitif près de la paroi. Cette thèse est consacrée au développement dans le code CEDRE (code de simulation d'écoulements réactifs complexes de l'Onera) d'une méthode hybride RANS/LES, appelée Delayed Detached Eddy Simulation (DDES), et à son application à des écoulements réactifs massivement décollés. Après une étape de validation sur des couches limites attachées, la DDES a été appliquée à la simulation des écoulements inerte et réactif dans une chambre de combustion en forme de marche descendante (A3C) et comparée aux résultats des approches RANS et LES classiques, ainsi qu'aux résultats expérimentaux. Cette méthode a ensuite permis de réaliser l'étude de la dynamique de l'écoulement réactif décollé dans la tuyère ATAC montée sur le banc cryotechnique MASCOTTE de l'Onera.
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Sen, Baris Ali. "Artificial neural networks based subgrid chemistry model for turbulent reactive flow simulations." Diss., Atlanta, Ga. : Georgia Institute of Technology, 2009. http://hdl.handle.net/1853/31757.
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Thesis (Ph.D)--Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010.Committee Chair: Menon, Suresh; Committee Member: Lieuwen, Timothy C.; Committee Member: Sankar, Lakshmi; Committee Member: Stoesser, Thorsten; Committee Member: Syed, Saadat; Committee Member: Walker, Mitchell. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.
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Locci, Carlo [Verfasser], and Fabian [Akademischer Betreuer] Mauß. "Large Eddy Simulations Modelling of flameless combustion / Carlo Locci ; Betreuer: Fabian Mauß." Cottbus : BTU Cottbus - Senftenberg, 2015. http://d-nb.info/1114283355/34.
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Koren, Chai. "Modeling conjugate heat transfer phenomena for multi-physics simulations of combustion applications." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLC001/document.
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Dans un souci d’optimisation des fours industriels et de réduction des émissions de gaz à effet de serre,l’oxy-combustion est considérée comme l’une des solutions d’avenir. Les conditions existantes dans les chambres d’oxycombustion créent une interaction forte entre les différents phénomènes : Combustion,turbulence et transferts de chaleur. Pour mieux dimensionner les configurations futures il est nécessaire de pouvoir étudier la physique qui y règne, et ce pour un coût et un temps de retour raisonnables. De tels études nécessitent l’emploi d’outils de simulation de haute fidélité,et afin de modéliser les interactions inter-phénomènes à un coût acceptable le couplage de codes est utilisé. C’est avec cet objectif que les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la mise au point d’une méthodologie de couplage entre codes d’écoulements réactifs et de transfert de chaleur dans les parois pour la réalisation de simulations de haute-fidélité massivement parallèles prédictives des chambres futuresOxycombustion is seen as one mean to attain the wished goals in terms of efficiency optimisation and Greenhouse Effect Gases emissions reduction for industrial furnaces. The extreme operating conditions, high pressure and temperature, lead to a strong interaction between the different phenomena which take place inside the combustion chambe r: Combustion, turbulence and heat transfer. To better design these futur oxyfuel processes, a mean to study the related physics with a reasonable computational cost and return time. Such studies require the use of high-fidelity numerical resolution tools, and in order to model the multi-physics interaction in a cost efficient way, code coupling. The operating conditions being extreme : High pressure and temperature, a strong interaction exists between the different phenomena occuring inside the chamber. To better understand the physics inside oxycombustion chambers,a multiphysics high-fidelity simulation methodology is developped
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Colin, Olivier. "Simulations aux grandes échelles de la combustion turbulente prémélangée dans les statoréacteurs." Toulouse, INPT, 2000. http://www.theses.fr/2000INPT011H.
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Le but de cette thèse est de développer l'approche LES (Large Eddy Simulation) de la combustion turbulente prémélangée dans les statoréacteurs. Dans un premier temps, une étude bibliographique rappelle les caractéristiques essentielles des trois grandes approches de modélisation de la combustion turbulente en mécanique des fluides numérique (DNS, RANS et LES). Nous présentons ensuite le modèle TFLES (pour Thickened Flame LES) développé dans cette thèse : une partie de la combustion est directement résolue sur le maillage LES grâce à la méthode d'épaississement du front de flamme. La surface de flamme de sous-maille est alors modélisée par une fonction d'efficacité qui rend compte du plissement de la flamme non résolue induit par la turbulence de sous-maille. Un nouveau schéma numérique appelé TTGC, du troisième ordre en temps et espace, est développé et implanté dans le code de combustion hybride AVBP du CERFACS. Des tests simples en non réactif et réactif montrent que ce schéma donne de meilleurs résultats en calcul LES réactif que les schémas du deuxième ordre classiques, grâce à des erreurs dispersive et dissipative plus faibles. Ces développements numériques et de modélisation de la combustion sont d'abor validés sur une chambre de combustion de laboratoire. La comparaison calcul/expérience montre que l'approche TFLES permet de retrouver les battements de jets et l'acoustique de la chambre, non représentables dans les calculs RANS équivalents. Enfin, des calculs d'un statoréacteur effectués à différentes pressions montrent que le modèle TFLES permet de retrouver l'extinction de chambre observée expérimentalement à basse pression.
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Almutlaq, Ahmed N. "Density-based unstructured simulations of gas-turbine combustor flows." Thesis, Loughborough University, 2007. https://dspace.lboro.ac.uk/2134/13892.
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The goal of the present work was to identify and implement modifications to a density-based unstructured RANS CFD algorithm, as typically used in turbomachinery flows (represented here via the RoIIs-Royce 'Hydra' code), for application to Iow Mach number gas-turbine combustor flows. The basic algorithm was modified to make it suitable for combustor relevant problems. Fixed velocity and centreline boundary conditions were added using a characteristic based method. Conserved scalar mean and variance transport equations were introduced to predict scalar mixing in reacting flows. Finally, a flarnelet thermochemistry model for turbulent non-premixed combustion with an assumed shape pdf for turbulence-chemistry interaction was incorporated. A method was identified whereby the temperature/ density provided by the combustion model was coupled directly back into the momentum equations rather than from the energy equation. Three different test cases were used to validate the numerical capabilities of the modified code, for isothermal and reacting flows on different grid types. The first case was the jet in confined cross flow associated with combustor liner-dilution jetcore flow interaction. The second was the swirling flow through a multi-stream swirler. These cases represent the main aerodynamic features of combustor primary zones. The third case was a methane-fueled coaxial jet combustor to assess the combustion model implementation. This study revealed that, via appropriate modifications, an unstructured density-based approach can be utilised to simulate combustor flows. It also demonstrated that unstructured meshes employing nonhexahedral elements were inefficient at accurate capture of flow processes in regions combining rapid mixing and strong convection at angles to cell edges. The final version of the algorithm demonstrated that low Mach RANS reacting flow simulations, commonly performed using a pressure-based approach, can successfully be reproduced using a density-based approach.
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Franzelli, Benedetta Giulia. "Impact of the chemical description on direct numerical simulations and large eddy simulations of turbulent combustion in industrial aero-engines." Thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://www.theses.fr/2011INPT0066/document.
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Le développement de nouvelles technologies pour le transport aérien moins polluant est de plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la chimie. Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est limitée par le coût calcul. Des mécanismes cinétiques réduits et des méthodes de tabulation ont été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été développées dans le cadre de configurations laminaires, cette thèse propose de les évaluer dans des configurations turbulentes: une DNS de flamme prémélangée méthane/air de type Bunsen et une LES d’un brûleur expérimental. Les mécanismes sont analysés en termes de structure de flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en espèces majoritaires et des émissions polluantes. Une méthodologie pour évaluer a priori la capacité d’un mécanisme à prédire correctement des phénomènes chimiques tridimensionnels est proposée en se basant sur les résultats de flammes laminaires monodimensionnelles non étirées et étirées. Il ressort que, d’une part, pour construire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse et qualité des résultats. D’autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations tridimensionnelles turbulentes peut être anticipée par une analyse du comportement des schémas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires non étirées et étiréesA growing need for numerical simulations based on reliable chemistries has been observed in the last years in order to develop new technologies which could guarantee the reduction of the enviromental impact on air transport. The description of combustion requires the use of detailed kinetic mechanisms for most hydro-carbons. Their use in turbulent combustion simulation is still prohibitive because of their high computational cost. Reduced chemistries and tabulation methods have been proposed to over-come this problem. Since all these reductions have been developed for laminar configurations, this thesis proposes to evaluate their performances in simulations of turbulent configurations such as a DNS of a premixed Bunsen methane/air flame and a LES of an experimental PREC-CINSTA burner. The mechanisms are analysed in terms of flame structure, global burning parameters, flame length, prediction of major species concentrations and pollutant emissions. An a priori methodology based on one-dimensional unstrained and strained laminar flames to evaluate the mechanism capability to predict three-dimensional turbulent flame features is therefore proposed. On the one hand when building a new reduced scheme, its requirements should be fixed compromising the computational cost, the robustness of the chemical description and the desired quality of results. On the other hand, the quality of DNS or LES results in three-dimensional configurations could be anticipated testing the reduced mechanism on laminar one-dimensional premixed unstrained and strained flames
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Obando, Vega Pedro Javier. "Filtered Tabulated Chemistry for LES of non-premixed combustion." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2021. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/317788.
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This work addresses the application of non-premixed filtered tabulated chemistry as a turbulent combustion modeling strategy in the LES framework. On the first part of this study the effects of the filtering operation on non-premixed flamelets are carefully appraised, considering an individual flamelet and the entire manifold. Subsequently, a systematic approach is followed where first the numerical implementation is verified. Afterwards validation is done on a coflow laminar diffusion flame, where promising results encourage the further model appraisal on a more complex turbulent configuration. This is finally achieved under turbulent conditions of Flames D and E, where the formalism including a SGS wrinkling modeling function adequately describes the wrinkled flame front features. The formalism assessment on a laminar coflow diffusion flame reveals a considerable sensitivity to the flame dimensionality. A flame sensor based on the mixture fraction gradient, with a tolerance to take into account the numerical grid resolution, is introduced and proves to deliver satisfactory results. The sensor-determined model activation allows to adequately represent the underlying physics behind flame filtering and so it endorses the consistency of the numerical procedure. The evaluation of the non-premixed FTACLES model on turbulent flames D and E demonstrates that the formalism coupling with a SGS wrinkling modeling function can adequately describe the wrinkled flame front condition. The model performs significantly well employing a three-dimensional tabulation strategy, where the numerical grid is coupled with the model by the third parameter, i.e. the computational cell size. The predictions for both the major stable species and the minor ones accurately correspond with the undergoing physics. The obtained results have a deep theoretical implication for the combustion research. First, they confirm the idea that SGS closure in diffusive combustion can be derived based on filtering arguments, and not only based on statistical approaches. Second, they demonstrate the enormous potential of the non-premixed FTACLES formalism once a sound flame sensor and a SGS wrinkling modeling function are included.Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
info:eu-repo/semantics/nonPublished
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Cuif, Sjöstrand Marianne. "Simulations Numériques Directes d'une méso-chambre de combustion : Mise en oeuvre et analyses." Phd thesis, INSA de Rouen, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00845259.
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La méso-combustion est le régime de combustion où la taille caractéristique du domaine est juste supérieure à la distance de coincement de la flamme , typiquement de l'ordre du centimètre. La difficile réalisation de systèmes de combustion fonctionnant en ce régime de flamme particulier suscite l'intérêt : il devient alors possible de tirer parti de la haute densité énergétique des hydrocarbures pour concevoir des systèmes de production d'énergie plus compacts. Nous nous intéressons à la réalisation de calculs DNS compressibles d'une chambre de combustion cubique de 8 x 10 x 8 mm3. Ce travail présente autant la mise en œuvre des calcules, en particulier la problématique de la condition frontière mur, que les résultats obtenus. Ces derniers nous permettent d'analyser la phénoménologie complexe de cet écoulement réactif confiné et serviront de base à des modélisations futures.
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Ruiz, Anthony. "Simulations Numériques Instationnaires de la Combustion Turbulente et Transcritique dans les Moteurs Cryotechniques." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00691975.
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Ces 50 dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée de la dynamique de flamme, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l'injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion.
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Kewlani, Gaurav. "Large eddy simulations of premixed turbulent flame dynamics : combustion modeling, validation and analysis." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2014. http://hdl.handle.net/1721.1/93863.
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Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2014.Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 293-300).
High efficiency, low emissions and stable operation over a wide range of conditions are some of the key requirements of modem-day combustors. To achieve these objectives, lean premixed flames are generally preferred as they achieve efficient and clean combustion. A drawback of lean premixed combustion, however, is that the flames are more prone to dynamics. The unsteady release of sensible heat and flow dilatation in combustion processes create pressure fluctuations which, particularly in premixed flames, can couple with the acoustics of the combustion system. This acoustic coupling creates a feedback loop with the heat release that can lead to severe thermoacoustic instabilities that can damage the combustor. Understanding these dynamics, predicting their onset and proposing passive and active control strategies are critical to large-scale implementation. For the numerical study of such systems, large eddy simulation (LES) techniques with appropriate combustion models and reaction mechanisms are highly appropriate. These approaches balance the computational complexity and predictive accuracy. This work, therefore, aims to explore the applicability of these methods to the study of premixed wake stabilized flames. Specifically, finite rate chemistry LES models that can effectively capture the interaction between different turbulent scales and the combustion fronts have been implemented, and applied for the analysis of premixed turbulent flame dynamics in laboratory-scale combustor configurations. Firstly, the artificial flame thickening approach, along with an appropriate reduced chemistry mechanism, is utilized for modeling turbulence-combustion interactions at small scales. A novel dynamic formulation is proposed that explicitly incorporates the influence of strain on flame wrinkling by solving a transport equation for the latter rather than using local-equilibrium-based algebraic models. Additionally, a multiple-step combustion chemistry mechanism is used for the simulations. Secondly, the presumed-PDF approach, coupled with the flamelet generated manifold (FGM) technique, is also implemented for modeling turbulence-combustion interactions. The proposed formulation explicitly incorporates the influence of strain via the scalar dissipation rate and can result in more accurate predictions especially for highly unsteady flame configurations. Specifically, the dissipation rate is incorporated as an additional coordinate to presume the PDF and strained flamelets are utilized to generate the chemistry databases. These LES solvers have been developed and applied for the analysis of reacting flows in several combustor configurations, i.e. triangular bluff body in a rectangular channel, backward facing step configuration, axi-symmetric bluff body in cylindrical chamber, and cylindrical sudden expansion with swirl, and their performance has been be validated against experimental observations. Subsequently, the impact of the equivalence ratio variation on flame-flow dynamics is studied for the swirl configuration using the experimental PIV data as well as the numerical LES code, following which dynamic mode decomposition of the flow field is performed. It is observed that increasing the equivalence ratio can appreciably influence the dominant flow features in the wake region, including the size and shape of the recirculation zone(s), as well as the flame dynamics. Specifically, varying the heat loading results in altering the dominant flame stabilization mechanism, thereby causing transitions across distinct- flame configurations, while also modifying the inner recirculation zone topology significantly. Additionally, the LES framework has also been applied to gain an insight into the combustion dynamics phenomena for the backward-facing step configuration. Apart from evaluating the influence of equivalence ratio on the combustion process for stable flames, the flame-flow interactions in acoustically forced scenarios are also analyzed using LES and dynamic mode decomposition (DMD). Specifically, numerical simulations are performed corresponding to a selfexcited combustion instability configuration as observed in the experiments, and it is observed that LES is able to suitably capture the flame dynamics. These insights highlight the effect of heat release variation on flame-flow interactions in wall-confined combustor configurations, which can significantly impact combustion stability in acoustically-coupled systems. The fidelity of the solvers in predicting the system response to variation in heat loading and to acoustic forcing suggests that the LES framework can be suitably applied for the analysis of flame dynamics as well as to understand the fundamental mechanisms responsible for combustion instability. KEY WORDS - large eddy simulation, LES, wake stabilized flame, turbulent premixed combustion, combustion modeling, artificially thickened flame model, triangular bluff body, backward facing step combustor, presumed-PDF model, flamelet generated manifold, axi-symmetric bluff body, cylindrical swirl combustor, particle image velocimetry, dynamic mode decomposition, combustion instability, forced response.
by Gaurav Kewlani.
Ph. D.
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Fossi, Athanase Alain. "Numerical simulations of stationary and transient spray combustion for aircraft gas turbine applications." Doctoral thesis, Université Laval, 2017. http://hdl.handle.net/20.500.11794/27597.
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Le développement des turbines à gaz d’aviation actuelles et futures est principalement axé sur la sécurité, la performance, la minimisation de la consommation de l’énergie, et de plus en plus sur la réduction des émissions d’espèces polluantes. Ainsi, les phases de design de moteurs sont soumises auxaméliorations continues par des études expérimentales et numériques. La présente thèse se consacre à l’étude numérique des phases transitoires et stationnaires de la combustion au sein d’une turbine à gaz d’aviation opérant à divers modes de combustion. Une attention particulière est accordée à la précision des résultats, aux coûts de calcul, et à la facilité de manipulation de l’outil numérique d’un point de vue industriel. Un code de calcul commercial largement utilisé en industrie est donc choisi comme outil numérique. Une méthodologie de Mécanique des Fluides Numériques (MFN) constituée de modèles avancés de turbulence et de combustion jumelés avec un modèle d’allumage sous-maille, est formulé pour prédire les différentes phases de la séquence d’allumage sous différentes conditions d’allumage par temps froid et de rallumage en altitude, ainsi que les propriétés de la flamme en régime stationnaire. Dans un premier temps, l’attention est focalisée sur le régime de combustion stationnaire. Trois méthodologies MFN sont formulées en exploitant trois modèles de turbulence, notamment, le modèle basé sur les équations moyennées de Navier-Stokes instationnaires (URANS), l’adaptation aux échelles de l’écoulement (SAS), et sur la simulation aux grandes échelles (LES). Pour évaluer la pertinence de l’incorporation d’un modèle de chimie détaillée ainsi que celle des effets de chimie hors-équilibre, deux différentes hypothèses sont considérées : l’hypothèse de chimie-infiniment-rapide à travers le modèle d’équilibre-partiel, et l’hypothèse de chimie-finie via le modèle de flammelettes de diffusion. Pour chacune des deux hypothèses, un carburant à une composante, et un autre à deux composantes sont utilisés comme substituts du kérosène (Jet A-1). Les méthodologies MFN résultantes sont appliquées à une chambre de combustion dont l’écoulement est stabilisé par l’effet swirl afin d’évaluer l’aptitude de chacune d’elle à prédire les propriétés de combustion en régime stationnaire. Par la suite, les rapports entre le coût de calcul et la précision des résultats pour les trois méthodologies MFN formulées sont explicitement comparés. La deuxième étude intermédiaire est dédiée au régime de combustion transitoire, notamment à la séquence d’allumage précédant le régime de combustion stationnaire. Un brûleur de combustibles gazeux, muni d’une bougie d’allumage, et dont la flamme est stabilisée par un accroche-flamme, est utilisé pour calibrer le modèle MFN formulé. Ce brûleur, de géométrie relativement simple, peut aider à la compréhension des caractéristiques d’écoulements réactifs complexes, en l’occurrence l’allumabilité et la stabilité. La méthodologie MFN la plus robuste issue de la précédente étude est reconsidérée. Puisque le brûleur fonctionne en mode partiellement pré-mélangé, le modèle de combustion paramétré par la fraction de mélange et la variable de progrès est adopté avec les hypothèses de chimie-infiniment-rapide et de chimie-finie, respectivement à travers le modèle de Bray-Moss-Libby (BML) et un modèle de flammelettes multidimensionnel (FGM). Le modèle d’allumage sous-maille est préalablement ajusté via l’implémentation des propriétés de la flamme considérée. Par la suite, le modèle d’allumage est couplé au solveur LES, puis successivement aux modèles BML et FGM. Pour évaluer les capacités prédictives des méthodologies résultantes, ces dernières sont utilisées pour prédire les évènements d’allumage résultant d’un dépôt d’énergie par étincelles à diverses positions du brûleur, et les résultats sont qualitativement et quantitativement validés en comparant ceux-ci à leurs homologues expérimentaux. Finalement, la méthodologie MFN validée en configuration gazeuse est étendue à la combustion diphasique en la couplant au module de la phase liquide, et en incorporant les propriétés de la flamme de kérosène dans le modèle d’allumage. La méthodologie MFN résultant de cette adaptation, est préalablement appliquée à la chambre de combustion étudiée antérieurement, pour prédire la séquence d’allumage et améliorer les prédictions antérieures des propriétés de la flamme en régime stationnaire. Par la suite, elle est appliquée à une chambre de combustion plus réaliste pour prédire des évènements d’allumage sous différentes conditions d’allumage par temps froid, et de rallumage en altitude. L’aptitude de la nouvelle méthodologie MFN à prédire les deux types d’allumage considérés est mesurée quantitativement et qualitativement en confrontant les résultats des simulations numériques avec les enveloppes d’allumage expérimentales et les images d’une séquence d’allumage enregistrée avec une caméra infrarouge.The development of current and future aero gas turbine engines is mainly focused on the safety, the performance, the energy consumption, and increasingly on the reduction of pollutants and noise level. To this end, the engine’s design phases are subjected to improving processes continuously through experimental and numerical investigations. The present thesis is concerned with the simulation of transient and steady combustion regimes in an aircraft gas turbine operating under various combustion modes. Particular attention is paid to the accuracy of the results, the computational cost, and the ease of handling the numerical tool from an industrial standpoint. Thus, a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code widely used in industry is selected as the numerical tool. A CFD methodology consisting of its advanced turbulence and combustion models, coupled with a subgrid spark-based ignition model, is formulated with the final goal of predicting the whole ignition sequence under cold start and altitude relight conditions, and the main flame trends in the steady combustion regime. At first, attention is focused on the steady combustion regime. Various CFD methodologies are formulated using three turbulence models, namely, the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS), the Scale-Adaptive Simulation (SAS), and the Large Eddy Simulation (LES) models. To appraise the relevance of incorporating a realistic chemistry model and chemical non-equilibrium effects, two different assumptions are considered, namely, the infinitely-fast chemistry through the partial equilibrium model, and the finite-rate chemistry through the diffusion flamelet model. For each of the two assumptions, both one-component and two-component fuels are considered as surrogates for kerosene (Jet A-1). The resulting CFD models are applied to a swirl-stabilized combustion chamber to assess their ability to retrieve the spray flow and combustion properties in the steady combustion regime. Subsequently, the ratios between the accuracy of the results and the computational cost of the three CFD methodologies are explicitly compared. The second intermediate study is devoted to the ignition sequence preceding the steady combustion regime. A bluff-body stabilized burner based on gaseous fuel, and employing a spark-based igniter, is considered to calibrate the CFD model formulated. This burner of relatively simple geometry can provide greater understanding of complex reactive flow features, especially with regard to ignitability and stability. The most robust of the CFD methodologies formulated in the previous configuration is reconsidered. As this burner involves a partially-premixed combustion mode, a combustion model based on the mixture fraction-progress variable formulation is adopted with the assumptions of infinitely-fast chemistry and finite-rate chemistry through the Bray-Moss-Libby (BML) and Flamelet Generated Manifold (FGM) models, respectively. The ignition model is first customized by implementing the properties of the flame considered. Thereafter, the customized ignition model is coupled to the LES solver and combustion models based on the two above-listed assumptions. To assess the predictive capabilities of the resulting CFD methodologies, the latter are used to predict ignition events resulting from the spark deposition at various locations of the burner, and the results are quantitatively and qualitatively validated by comparing the latter to their experimental counterparts. Finally, the CFD methodology validated in the gaseous configuration is extended to spray combustion by first coupling the latter to the spray module, and by implementing the flame properties of kerosene in the ignition model. The resulting CFD model is first applied to the swirl-stabilized combustor investigated previously, with the aim of predicting the whole ignition sequence and improving the previous predictions of the combustion properties in the resulting steady regime. Subsequently, the CFD methodology is applied to a scaled can combustor with the aim of predicting ignition events under cold start and altitude relight operating conditions. The ability of the CFD methodology to predict ignition events under the two operating conditions is assessed by contrasting the numerical predictions to the corresponding experimental ignition envelopes. A qualitative validation of the ignition sequence is also done by comparing the numerical ignition sequence to the high-speed camera images of the corresponding ignition event.
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Wang, William K. "Experimental Results and Computer Simulations for Post-Combustion Carbon Dioxide Removal Using Limestone." The Ohio State University, 2009. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1262100381.
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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.
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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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Amaya, Jorge. "Unsteady coupled convection, conduction and radiation simulations on parallel architectures for combustion applications." Thesis, Toulouse, INPT, 2010. http://www.theses.fr/2010INPT0044/document.
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Dans l'industrie aéronautique, la génération d'énergie dépend presque exclusivement de la combustion d'hydrocarbures. La meilleure façon d'améliorer le rendement de ces systèmes et de contrôler leur impact environnemental, est d'optimiser le processus de combustion. Avec la croissance continue du de la puissance des calculateurs, la simulation des systèmes complexes est devenue abordable. Jusqu'à très récemment dans les applications industrielles le rayonnement des gaz et la conduction de chaleur dans les solides ont été négligés. Dans ce travail les outils nécessaires à la résolution couplée des trois modes de transfert de chaleur ont été développés et ont été utilisés pour l'étude d'une chambre de combustion d'hélicoptère. On montre que l'inclusion de tous les modes de transfert de chaleur peut influencer la distribution de température dans le domaine. Les outils numériques et la méthodologie de couplage développés ouvrent maintenant la voie à un bon nombre d'applications tant scientifiques que technologiquesIn the aeronautical industry, energy generation relies almost exclusively in the combustion of hydrocarbons. The best way to improve the efficiency of such systems, while controlling their environmental impact, is to optimize the combustion process. With the continuous rise of computational power, simulations of complex combustion systems have become feasible, but until recently in industrial applications radiation and heat conduction were neglected. In the present work the numerical tools necessary for the coupled resolution of the three heat transfer modes have been developed and applied to the study of an helicopter combustion chamber. It is shown that the inclusion of all heat transfer modes can influence the temperature repartition in the domain. The numerical tools and the coupling methodology developed are now opening the way to a good number of scientific and engineering applications
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Benezech, Laurent Jean-Michel Dimotakis Paul E. "Premixed hydrocarbon stagnation flames : experiments and simulations to validate combustion chemical-kinetic models /." Diss., Pasadena, Calif. : California Institute of Technology, 2008. http://resolver.caltech.edu/CaltechETD:etd-05302008-113043.
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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.
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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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Duran, Garcia-Rama Ignacio Luis. "Prediction of combustion noise in modern aero engines combining large eddy simulations and analytical methods." Thesis, Toulouse, INPT, 2013. http://www.theses.fr/2013INPT0138.
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La contribution relative du bruit de combustion au bruit global des moteurs aéronautiques augmente progressivement dû d'un coté à la réduction des autres sources et d'un autre à l'implémentation des nouvelles technologies de chambre de combustion pour la réduction des émissions de NOx. Deux mécanismes sont responsables de cette source de bruit : d'abord le bruit direct, dû aux ondes acoustiques générées par la flamme qui se propagent à la sortie du moteur d'avion, et ensuite le bruit indirect, généré par les ondes d'entropie quand elles sont accélérées et ralenties dans les étages de turbine. Dans ce travail, les modèles analytiques utilisés pour la propagation des ondes à travers les flux non-homogènes, y compris la génération de bruit indirect, sont révisés et étendus. Tout d'abord, le cas quasi-1D est étudié: la méthode analytique est étendue pour les fréquences non nulles et validée avec des méthodes numériques et des données expérimentales. Dans la seconde partie, la méthode analytique 2D dans le cas d'aubes de turbines compactes est étudiée et validée à l'aide de simulations numériques d'un rotor et d'un étage de turbine complète. Enfin, ces modèles sont combinés avec des simulations aux grandes échelles réactives et compressibles de chambres de combustion pour construire une approche hybride appelée CHORUS capable de prédire le bruit de combustionCombustion noise is increasing its relative contribution to aircraft noise, while other sources are being reduced and new low-NOx emission combustion chambers being built. Two mechanisms are responsible for this noise source: direct noise in which acoustic waves are generated by the flame and propagate to the outlet of the aero-engine, and indirect noise, where entropy waves generate noise as they are accelerated and decelerated in the turbine stages. In this work the analytical models used for the propagation of waves through non-homogeneous flows, including the generation of indirect noise, are revised and extended. In the first part, the quasi-1D case is studied, extending the analytical method to non-zero frequencies and validating the results with numerical methods and experimental data. In the second part, the 2D method for the case of compact turbine blades is studied and validated using numerical simulations of a rotating blade and of a complete turbine stage. Finally, in the third part of this thesis, these models are combined with reactive and compressible Large Eddy Simulations (LES) of combustion chambers to build a hybrid approach, named CHORUS, able to predict combustion noise
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Felden, Anne. "Development of Analytically Reduced Chemistries (ARC) and applications in Large Eddy Simulations (LES) of turbulent combustion." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/19226/1/Felden.pdf.
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Recent implementation of emission control regulations has resulted in a considerable demand from industry to improve the efficiency while minimizing the consumption and pollutant emissions of the next generation of aero-engine combustors. Those phenomena are shown to strongly depend upon the underlying complex chemical pathways and their interaction with turbulence. Large Eddy Simulation (LES) is an attractive tool to address those issues with high accuracy at a reasonable computing cost. However, the computation of accurate combustion chemistry remains a challenge. Indeed, combustion proceeds through complex and highly non-linear processes that involve up to hundreds of different chemical compounds, which significantly increases the computational time and often induces stiffness in the resolved equations. As a mean to circumvent these drawbacks while retaining the necessary kinetics for the prediction of pollutants, Analytically Reduced Chemistry (ARC) has recently received high interest in the Computational Fluid Dynamics (CFD) community. ARC is a strategy for the description of combustion chemistry where only the most important species and reactions are retained, in a "physically-oriented way". ARC is on the verge of becoming affordable at a design stage, thanks to the continuously increasing available computational resources. The goal of the present work is twofold. A first objective is to test and validate efficient techniques and tools by which detailed chemistries are reduced to an LES-compliant format. To do so, the multi-step reduction tool YARC is selected and employed to derive and validate a series of ARC specifically designed to retrieve correct flame structures. A second objective is to investigate the overall feasibility and benefits of using ARC, combined to the Thickened Flame model (DTFLES), in performing LES of configurations of increasing complexity. The first configuration is a sooting swirl-stabilized non-premixed aero-engine combustor experimentally studied at DLR, burning ethylene. LES of this configuration is performed with the AVBP solver, in which ARC has been implemented. By comparison with global chemistry and tabulated chemistry, results highlight the importance of accurately capturing the flow-flame interactions for a good prediction of pollutants and soot. The second configuration is a swirled twophase flow burner featuring a lean direct injection system and burning Jet-A2. A novel methodology to real fuel modeling (HyChem approach) is employed, which allows subsequent ARC derivation. The excellent results in comparison with measurements constitute an additional validation of the methodology, and provide valuable qualitative and quantitative insights on the flame-spray interactions and on the pollutant formation (NOx) mechanisms in complex flame configurations.
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Refahi, Sorour. "Développement d'un code de transfert radiatif et de son couplage avec un code LES." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00832350.
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Les transferts radiatifs jouent un rôle important dans les chambres de combustion des installations industrielles. En effet, il existe un couplage fort entre la combustion turbulente et le rayonnement. Dans le but d'étudier ce couplage, le code Rainier est développé pour les calculs de pertes par rayonnement dans un écoulement réactif dans des géométries complexes. Ce code repose sur des simulations aux grandes échelles (LES) de la combustion turbulente. Il est basé sur les maillages tétraédriques non structurés. Le modèle de rayonnement appliqué à la modélisation des propriétés radiatives des gaz est le modèle CK (Correlated-k). La méthode statistique de Monte-Carlo (ERM) est utilisée pour résoudre l'équation de Transfert du Rayonnement (ETR). Le code de rayonnement est parallélisé et il montre une réponse linéaire en fonction du nombre de processeurs très proche de la réponse idéale. Une méthode de couplage de code de rayonnement avec le code de combustion LES est développée. Chacun des codes a sa propre logique d'architecture et de développement. En conséquence, le couplage entre les deux domaines d'étude est réalisé de telle façon que les échanges des données et les synchronisations entre eux soient assurés. Les résultats obtenus à partir du couplage des sur une chambre de combustion d'hélicoptère sont présentés. Nous avons montré que le rayonnement modifie les champs instantanés de température et d'espèces à l'intérieur de la chambre de combustion.
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Loyez, Marc Jason. "Free Lagrange simulations of flame/vortex interactions, including detailed finite rate chemical kinetics and heat release." Thesis, University of Southampton, 1997. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.241965.
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Labarrere, Laure. "Etude théorique et numérique de la combustion isochore appliquée au cas du thermoreacteur." Thesis, Toulouse, INPT, 2016. http://www.theses.fr/2016INPT0028.
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Un des principaux enjeux de l'industrie aéronautique est la recherche du moteur au meilleur rendement possible, pour satisfaire des contraintes économiques, techniques et environnementales. Les turbomachines bénéficient d'un constant perfectionnement depuis plus de 60 ans, et cette technologie semble avoir atteint un plateau. Une rupture technologique est aujourd'hui nécessaire, comme la combustion à volume constant (CVC). Le gain attendu est suffisant pour tenter de remplacer les systèmes actuels où la combustion se fait à pression constante. La combustion à isovolume fait appel à des mécanismes encore rarement maitrisés dans le contexte aéronautique. Sa compréhension passe par des expérimentations et des modèles théoriques et numériques. L’objectif de cette thèse est de développer une théorie et un outil de simulation LES (Large Eddy Simulation) appliqué au cas du concept ‘thermoréacteur’. Ainsi, la première étape a consisté à mettre en place un outil de simulation 0D traduisant l’évolution d’un cycle moteur de type CVC (Combustion à Volume Constant). Certains modèles utilisés dans cet outil 0D sont basés sur des corrélations expérimentales. D'autres présentent des paramètres à déterminer à partir de simulations numériques. La simulation 3D d’un système de type CVC est envisageable aujourd’hui grâce aux progrès récents des méthodes LES. Ainsi, des simulations du thermoréacteur ont pu être réalisées, et confrontées aux résultats expérimentaux obtenus au laboratoire Pprime sur trois points de fonctionnement. Les variabilités cycle à cycle observées expérimentalement ont été analysées dans les calculs LES. Les vitesses importantes au niveau de l'allumage et le taux de résidus du cycle précédent semblent être les principaux facteurs à l'origine de ces variations cycle à cycleA major challenge for the aircraft industry is to improve engine efficiency and to reduce pollutant emissions for economic, technical and environmental reasons. Aeronautical gas turbines have enjoyed a constant improvement for more than 60 years. This technology seems to have reached such efficiency levels that a technological breakthrough is necessary. Constant Volume Combustion (CVC) offers significant gain in consumption and could replace classical constant pressure combustion technologies, currently used in aeronautical engines. Mechanisms involved in isovolume combustion are not accurately controlled in the context of aeronautical chambers. Experimental, theoretical and numerical studies should provide a better understanding of CVC devices. The objective of this thesis is to develop simulation tools to study the thermoreacteur concept. First, a zero-dimensional (0D) simulation tool is developed to describe the evolution of a CVC cycle. Models based on experimental correlations are used to build the 0D tool. Parameters have to be determined from numerical simulations. Today, the 3D simulation of a CVC system is possible thanks to the recent progress of the LES (Large Eddy Simulation) methods developed at CERFACS. Simulations of the thermoreacteur concept have been carried out, and compared to experimental results obtained at the Pprime laboratory. Three operating points have been calculated. The main conclusion is the existence of significant cyclic variations which are observed in the experiment and analyzed in the LES: the local flow velocity at spark timing and the level of residuals gases are the major factors leading to cyclic variations
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Gutiérrez, Daniel. "Green Fuel Simulations." Thesis, Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik, 2020. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-79244.
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Many industries have entered a new global phase which takes the environment in mind. The gas turbine industry is no exception, where the utilization of green fuels is the future to spare the environment from carbon dioxide and NOx emissions. Hydrogen has been identified as a fuel which can fulfil the global requirements set by governments worldwide. Combustion instabilities are not inevitable during gas turbine operations, especially when using a highly reactive and diffusive fuel as hydrogen. These thermoacoustics instabilities can damage mechanical components and have economic consequences in terms of maintenance and reparation. Understanding these thermoacoustic instabilities in gas turbine burners is of great interest. COMSOL Multiphysics offers a robust acoustic module compared to other available acoustic simulation programs. In this thesis, an Acoustic finite element model was built representing an atmospheric combustion rig (ACR), used to test the burners performance and NOx emissions. Complementary computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed for 100 % hydrogen as fuel by using the Reynolds average Navier-Stokes (RANS) lag EB k - epsilon turbulence model. Necessary data was successfully imported to the Acoustic finite element model. Different techniques of building the mesh were used in COMSOL Multiphysics and NX. Similar results were obtained, proving that both mesh tools work well in acoustic simulations. Two different ways of solving the eigenvalue problem in acoustics were implemented, the classic Helmholtz equation and Linearized Navier-Stokes equations, both in the frequency domain. The Helmholtz equation proved to be efficient and detected multiple modes in the frequency range of interest. Critical modes which lived in the burner and the combustion chamber were identified. Defining a hard and soft wall boundary condition at the inlets and outlet of the atmospheric combustion rig gave similar eigenfrequencies when comparing the two boundary conditions. The soft wall boundary condition was defined with a characteristic impedance, giving a high uncertainty whether the results were trustworthy or not. A boundary condition study revealed that the boundary condition at the outlet was valid for modes living in the burner and combustion chamber. Solving the eigenvalue problem with the Linearized Navier-Stokes equations proved to be computationally demanding compared to the Helmholtz equation. Similar modes shapes were found at higher frequencies, but pressure perturbations were observed in the region where the turbulence was dominant. A prestudy for a stability analysis was established, where the ACR and the flame was represented as a generic model. Implementing a Flame Transfer Function (FTF), more specifically a linear n - tau model, showed that the time delay tau is most sensible for a parametric change and hence needs to be chosen cautiously