Добірка наукової літератури з теми "Écoulement réactif prémélangé"

La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.

Ce mémoire de thése est consacré à la modélisation des écoulements turbulents réactifs dans des cas où les mélanges combustible-air peuvent ne pas être parfaitement prémélangés. Les hypothèses de Schvab-Zeldovich permettent alors d'utiliser seulement deux variables pour caractériser l'´etat thermochimique du mélange. Nous choisissons ici la fraction de mélange f pour décrire la composition des gaz frais et la fraction massique de combustible Y pour évaluer l'avancement de la réaction. L'analyse repose sur le formalisme LW-P, ici étendu au second ordre en proposant une PDF jointe des scalaires et de la vitesse composée de distributions de Dirac. Nous présentons également de nouvelles fermetures algébriques pour les termes de dissipation des fluctuations des quantités scalaires associés au mélange à petite échelle. L'analyse des effets des fluctuations de pression conduit à la proposition de nouvelles fermetures des équations pour les tensions de Reynolds et des flux turbulents scalaires. Ces fermetures prennent en compte les phénomènes de production de turbulence par les flammes et de diffusion non-gradient dans des cas partiellement prémélangés.
Les modèles développés ici sont implantés dans le logiciel de mécanique des fluides numérique Code-Saturne et validés en utilisant tout d'abord la configuration ORACLES du LCD puis la flamme en V turbulente étudiée expérimentalement au CORIA. Ces deux dispositifs expérimentaux permettent l'étude de la combustion partiellement prémélangée. Les simulations numériques de ces deux écoulements, utilisant le modèle LW-P, ont donné des résultats en bon accord avec les données expérimentales.

Ce mémoire de thèse est consacré à la modélisation des écoulements turbulents réactifs dans des cas où les mélanges combustible-air peuvent ne pas être parfaitement prémélangés. Les hypothèses de Schvab-Zeldovich permettent alors d'utiliser seulement deux variables pour caractériser l'état thermochimique du mélange. Nous choisissons ici la fraction de mélange  pour décrire la composition des gaz frais et la fraction massique de combustible Y pour évaluer l'avancement de la réaction. L'analyse repose sur le formalisme LW-P, ici étendu au second ordre en proposant une PDF jointe des scalaires et de la vitesse composée de distributions de Dirac. Nous présentons également de nouvelles fermetures algébriques pour les termes de dissipation des fluctuations des quantités scalaires associés au mélange à petite échelle. L'analyse des effets des fluctuations de pression conduit à la proposition de nouvelles fermetures des équations pour les tensions de Reynolds et des flux turbulents scalaires. Ces fermetures prennent en compte les phénomènes de production de turbulence par les flammes et de diffusion non-gradient dans des cas partiellement prémélangés. Les modèles développés ici sont implantés dans le logiciel de mécanique des fluides numérique Code-Saturne et validés en utilisant tout d'abord la configuration ORACLES du LCD puis la flamme en V turbulente étudiée expérimentalement au CORIA. Ces deux dispositifs expérimentaux permettent l'étude de la combustion partiellement prémélangée. Les simulations numériques de ces deux écoulements, utilisant le modèle LW-P, ont donné des résultats en bon accord avec les données expérimentales
The present study is devoted to the numerical modeling of turbulent reactive flows in situations where reactants are not ideally premixed. In this case, the description of the local thermochemistry requires at least two variables. Here we chose the mixture fraction  to describe the local composition of fresh mixture and the fuel mass fraction Y to evaluate the progress of the chemical reaction. The numerical model is based on the LW-P analysis but here the joint velocity-scalar discrete PDF made of Dirac delta functions is considered in the context of a second order modeling. New algebraic closures for the scalar dissipation terms are proposed to represent the mixing at small scales. Special attention is paid to the closure of pressure fluctuating terms which appear in the turbulent transport equations. The proposed closure is able to take into account the counter-gradient diffusion and flame generated turbulence effects. Numerical simulations are performed with the CFD code Code-Saturne and the model is validated using first the experimental configuration ORACLES from LCD and second the turbulent V-shaped flame studied at CORIA. Numerical results obtained for these two configurations are in good agreement with experimental data in both cases of perfectly and partially premixed turbulent reactive flows

Les restrictions environnementales abordent la réduction de l’utilisation des sources d’énergie primaires, motivant la recherche pour progresser vers des technologies améliorées. Parallèlement à ces efforts, la fiabilité et les performances doivent être assurées, en particulier dans des conditions délicates de pression et de température, c’est-à-dire en haute altitude. Dans les moteurs à turbine à gaz, ces deux éléments sont cruciaux pour offrir des produits qui répondent aux besoins et aux attentes fixés par le scénario actuel. L’allumage est un processus multiphysique constitué de plusieurs phases et événements qui concourent en couvrant une gamme diversifiée d’échelles de temps caractéristiques. La résolution numérique de la phase d’allumage précoce, pour laquelle des informations fines et détaillées font défaut, est étudiée dans cette étude. L’efficacité de l’allumeur est estimée par calorimétrie dans de l’air sec, ce qui montre que les variations de pression initiale ont une influence sur l’efficacité. La même étude a révélé que la température (20 ° C; - 20 ° C) par ailleurs a un effet négligeable. Les propriétés physiques du noyau en termes de volume, surface, surface de projection, rayon de l’arc électrique établi dans la cavité, sont estimées en adoptant différents diagnostics optiques, notamment de l’imagerie ultra rapide, strioscopie et ombroscopie à 1 MHz. Des calculs sont effectués pour obtenir une évolution temporelle pendant le temps de dépôt d’énergie (130 μs). Un effet de la pression initiale est observé sur les propriétés du noyau de telle sorte que avec la réduction de la pression initiale le volume du noyau augmente. De plus, des visualisations directes filtrées de la cavité de l’allumeur montrent qu’un effet de pression est discerné à partir de 20 μs. La taille du noyau est également mesurée pour des prémélanges de méthane pour différentes richesses. Cela vise à déterminer l’influence de la variation de la composition par rapport à un cas de référence dans du N2 pur qui est comparé aux mesures dans des prémélanges gazeux (à la fois de nature inerte CH4 / N2 et réactive CH4 / O2 / N2). Une comparaison entre les cas inertes et réactifs expose des réactions de combustion actives déjà pendant le dépôt d’énergie. Pour étudier l’exposition aux éléments d’un environnement réel, l’impact d’un écoulement transverse dans des conditions ambiantes est étudié dans une soufflerie. Cela a été adapté pour simuler l’effet combiné de l’écoulement transverse et de l’air de refroidissement auquel l’allumeur est exposé en étant monté dans une douille. L’effet de la douille sur la projection du noyau est étudié, révélant un impact sur la projection et la déformation du noyau en fonction de la vitesse imposée. La génération du noyau est examinée dans un écoulement réactif prémélangé à 0,45 et 1 bar. Le champ de vitesse a été étudié au préalable par PIV pour connaître la vitesse à proximité de l’allumeur et dans le domaine spatial où le noyau est projeté. Trois conditions de vitesse sont retenues pour effectuer la décharge. Il est observé que la pression initiale influence la déformation subie par le noyau en fonction de la vitesse initiale. En effet, à 1 bar, le noyau est préservé plus longtemps. Un effet secondaire de richesse est trouvé. Une étude préliminaire est réalisée pour explorer l’interaction entre le noyau et un spray de gouttes à 0,45 bar et 1 bar. Le fuel utilisé est du décane. L’ombroscopie à fort grossissement est le diagnostique utilisée pour effectuer des statistiques sur une fenêtre spatiale de 2 x 2 cm où des gouttelettes sont observées se déposer sur les électrodes. Des variations de leurs propriétés sont détectées en fonction de la synchronisation avec la décharge. Des visualisations par strioscopie sont ensuite réalisées pour observer qualitativement les phénomènes apparaissant dans une fenêtre temporelle de 1 ms. Le modèle existant de Taylor-Sedov est testé pour déterminer les capacités prédictives
Environmental restrictions tackle the reduction of the use of primary sources of energy motivating research to advance towards upgraded technologies. Alongside with these efforts, reliability and performance need to be ensured, especially for detrimental conditions of pressure and temperature, i.e. high altitude. In gas turbine engines, both these elements are crucial to offer products that fit to both the needs and expectations set by the present scenario. Ignition is a multiphase process constituted by several phases and events that span a diversified range of characteristic time scales. The numerical resolution of the early ignition phase, for which fine and detailed information is lacking, is investigated in this study. The efficiency of the igniter is estimated through calorimetry in pure air, which shows that variations of initial pressure have an influence on efficiency. The same investigation revealed that temperature (20° C; - 20°C) has a negligible effect. Physical properties of the kernel in terms of volume, surface, projection surface, radius of the arc channel in the cavity, are estimated adopting different optical diagnostics, including schlieren and shadowgraphy imaging at 1 MHz. Calculations are done to obtain a temporal evolution during energy depositing time (130 μs). An effect of initial pressure is observed on kernel properties such that reducing the initial pressure, kernel volume increases. Furthermore, filtered direct visualizations of the igniter cavity show that an effect of pressure is discerned from 20 μs. Kernel size is also measured for methane premixed mixtures of different equivalence ratios. This is intended to determine the influence of composition variation with respect to a reference case in pure N2 which is compared to measurements in gaseous premixed mixtures (both of inert CH4 / N2 and reactive CH4 / O2 / N2 nature). A comparison between inert and reactive cases exposes active combustion reactions already during energy deposition. To investigate the exposure to real life environment elements, the impact of a transverse flow at ambient conditions is studied in a wind tunnel. This was adapted to simulate the combined effect of a transverse flow and cooling air spilled from the liner that the igniter is exposed to by being mounted in a sleeve. The effect of the sleeve on kernel projection is investigated, which reveales an impact on projection and kernel deformation depending on the imposed velocity. The generation of the kernel is examined in a reactive premixed swirled mixture at 0.45 and 1 bar. The velocity field have been studied beforehand by PIV to know the velocity in the vicinity of the igniter and in the spatial domain where the kernel is projected. Three velocity conditions are retained to perform the discharge. Initial pressure is observed to influence the deformation the kernel undergoes depending on initial velocity. At 1 bar, the kernel appears to be preserved for longer. A secondary effect of equivalence ratio is found. The existing model of Taylor-Sedov is tested to predict kernel properties and compare them to experimental measurements. A preliminary study is performed to explore the interaction between the kernel and a spray at 0.45 bar and 1 bar. High magnification shadowgraphy is used to run statistics on a spatial window of 2 x 2 cm where droplets are observed impinging on the electrodes. Properties variations are detected depending on the synchronization with the discharge. Schlieren visualizations are further performed to observe phenomena to qualitatively explore the dynamics appearing in a time window of 1 ms

La comprehension et la modelisation des phenomenes physiques intervenant dans la combustion turbulente sont primordiaux pour l'etude et l'optimisation des dispositifs industriels tels que les moteurs a allumage commande ou les bruleurs. La complexite du probleme est liee a l'interaction entre les phenomenes thermo-chimiques, caracterisant un front de flamme, et les echelles du spectre continu de la turbulence. Le probleme peut etre simplifie si l'on discretise le spectre de la turbulence en assimilant chaque echelle turbulente a un tourbillon. Les travaux que nous avons realises dans le cadre de cette etude, s'articulent autour de deux axes: la prediction d'une flamme turbulente premelangee et la simulation de l'interaction entre un front de flamme oblique premelangee et une allee tourbillonnaire de von karman. Le premier point est aborde par une simulation de reference en ecoulement laminaire. Puis la flamme oblique turbulente premelangee est etudiee. Deux premelanges, air-hydrogene et air-methane, permettent de traiter le probleme de l'influence du nombre de lewis sur la structure de ces flammes. Dans une deuxieme partie, on s'interesse a l'interaction entre une flamme oblique laminaire de premelange air-hydrogene et une allee tourbillonnaire de von karman. La prediction de cette configuration met en evidence l'influence des tourbillons sur le plissement et l'extinction du front de flamme. Pour chacune de ces etapes, la comparaison entre les predictions numeriques et des donnees experimentales est realisee. Elle nous permet d'analyser les performances des modelisations et elle apporte des informations complementaires sur les phenomenes etudies
The analysis and modelisation of the turbulent combustion is an important step for the study and simulation of industrial devices such as reciprocating engines of burners. The problem complexity is linked to the interaction between the thermo-chemical phenomena of the flame front and the scales of the turbulence spectrum. This problem can be simplified if we discretize the turbulence spectrum by treating each turbulent scale as a vortex. Our work in this domain follows two main axis : the prediction of a turbulent flame front and the simulation between an oblique flame front and a von Karman vortex street. The first part starts with the simulation of a laminar reference case. Then, the turbulent premixed oblique flame front is studied. The problem of the Lewis number influence on the flame structure is treated using two cases of mixing, hydrogen-air and methane-air. In a second part, we study the interaction between laminar premixed hydrogen-air oblique flame front and a von Karman vortex street. The prediction of this phenomenon show the vortex influence on the wrinkling and the extinction of the flame front. For each step, the comparison between numerical predictions and experimental data is realized. It allows us to analyze the performance of the modelisations and gives complementary data on the studied phenomena

Ce travail de doctorat a pour objet l'etude des caracteristiques propagatives des zones de reactions moyennes, en regime de premelange, modelisees par une approche de type flammelette. La geometrie etudiee est celle d'une flamme monodimensionnelle en moyenne se propageant en milieu non confine. La premiere partie de ce travail a consiste a illustrer la difference de nature qui existe entre la propagation d'une flamme laminaire de premelange et celle d'une zone de combustion turbulente modelisee par une approche de type flammelette. L'etude de la sensibilite de la vitesse de propagation du front reactif moyen a la forme du terme de production chimique moyen ainsi qu'a la nature du transport turbulent represente la partie principale de ce travail. Dans ce cadre, des techniques specifiquement adaptees aux ecoulements reactifs instationnaires a faible nombre de mach ont ete developpees et utilisees. Les resultats ont montres que des qu'une coupure est introduite dans le terme de production chimique moyen il existe une vitesse de propagation unique pour le front de flamme moyen. En absence de coupure, il existe un spectre de vitesses de propagation possibles borne par une valeur minimale finie. Il est montre que cette borne inferieure est determinee par le comportement du taux de reaction chimique moyen et par celui du transport turbulent. En absence de transport a contre-gradient, seules les caracteristiques de ces termes du cote des gaz frais controlent la borne inferieure du spectre. A l'inverse, lorsque de la diffusion a contre-gradient est presente, les caracteristiques de ces termes doivent etre considerees non seulement du cote des gaz frais mais aussi du cote des brules pour determiner la borne inferieure du spectre.