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Etude de la structure des flammes diphasiques dans les brûleurs aéronautiques

Hannebique, Gregory. Etude de la structure des flammes diphasiques dans les brûleurs aéronautiques. PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2013

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Official URL: http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00002262/

Abstract

La régulation des polluants a mené à la création de nouveaux systèmes de combustion. Le carburant étant stocké sous forme liquide, sa transformation jusqu’à sa combustion est complexe. La capacité de la Simulation aux grandes échelles à simuler des écoulements turbulents réactifs a été montrée sur des cas académiques comme sur des configurations industrielles, tout en prenant en compte les phénomènes multiphysiques intervenant dans ces configurations, mais les études sur la structure de flamme diphasique sont encore trop peu nombreuses. La présence de deux solveurs pour la simulation d’une phase liquide étant disponible dans le code AVBP, leur utilisation permet une comparaison et une compréhension des phénomènes en jeu combinant dispersion, évaporation, et combustion. La première partie de l’étude relate la validation du modèle d’injection FIM-UR. Ce modèle est capable de reconstruire les profils de vitesses et de granulométrie à l’injecteur sans avoir à simuler les phénomènes d’atomisation primaire et secondaire. Une validation en régime turbulent avait déjà été réalisée, et on propose ici de valider le modèle dans un cas laminaire. Des comparaisons entre simulations monodisperses et polydisperse et des expériences sont effectuées. La simulation monodisperse Lagrangienne donne une bonne structure globale mais la simulation polydisperse Lagrangienne permet de retrouver le comportement au centre du cône avec la présence des petites gouttes et à la périphérie du cône par la présence des grosses gouttes. De plus, des améliorations sont apportées au modèle pour le formalisme Eulérien et montrent de bons résultats. La partie suivante s’intéresse à caractériser un spray polydisperse par une distribution monodisperse. En effet, au cas où une approche polydisperse n’est pas possible, le choix du diamètre moyen à prendre pour une simulation monodisperse est délicat. On propose donc d’analyser le comportement d’un spray polydisperse en le comparant à ceux de sprays monodisperses. Deux configurations académiques sont choisies : des cas de Turbulence Homogène Isotrope chargée en particules pour étudier la dynamique, et des calculs d’évaporation 0D. Trois paramètres sont étudiés pour la dynamique : la concentration préférentielle (ou ségrégation), la traînée moyenne et la traînée réduite moyenne. Cette dernière et la ségrégation de la distribution polydisperse semblent affectées par les tailles de goutte les plus faibles, et la concentration préférentielle apparait alors comme la moyenne des ségrégations des classes qui la composent pondérées par l’inverse du nombre de Stokes associé à chacune de ces classes. La traînée moyenne de la simulation polydisperse possède un comportement proche des diamètres moyens D10 et D20. Ces analyses nous poussent donc à choisir le D10 pour caractériser la dynamique d’un spray polydisperse. Les calculs d’évaporation 0D ne permettent pas dans un premier temps de caractériser efficacement la masse évaporée d’un spray polydisperse par celle d’un spray monodisperse équivalent, mais la définition de nouveaux diamètres issus de la littérature des lits fluidisés comme le D50% le permet, ce qui le place autour du D32. On propose donc de caractériser l’évaporation d’un spray polydisperse par ce diamètre. Enfin, la dernière partie étudie la structure de flamme diphasique dans la chambre MERCATO, à l’aide du formalisme Lagrangien, monodisperse et polydisperse, mais aussi en utilisant le formalisme Eulérien. La validation du modèle FIM-UR du premier chapitre et ses améliorations sont utilisées pour représenter les conditions d’injection liquide. En plus d’un calcul polydisperse, deux simulations monodisperses Lagrangiennes sont réalisées en prenant les diamètres moyens D10 et D32, suite à la partie précédente. Des comparaisons qualitatives et des validations sont réalisées, en comparant des profils de vitesses gazeuses axiale et fluctuante et vitesse axiale liquide issus de l’expérience. De bons résultats sont trouvés et le diamètre D32 semble plus proche des profils de la distribution polydisperse. Une comparaison de la flamme moyenne avec transformée d’Abel issue de l’expérience montrent des caractéristiques similaires : la flamme a une forme en M, accrochée par des zones de recirculation en sortie de swirler et par un point d’ancrage au niveau de la zone de recirculation centrale pour les trois simulations. Enfin, l’impact de la taille des gouttes est étudié. Même si quelques grosses gouttes de la distribution polydisperse se retrouvent dans les gaz brûlés au vu de leurs temps particulaire et temps d’évaporation plus grands, les structures de flamme diphasique restent similaires. Une combinaison entre des flammes de prémélange et des poches de carburant qui brûlent en diffusion est observée. La distribution de température en fonction de la fraction de mélange présente des similarités pour les différentes simulations puisqu’elle est encadrée par des droites de même pente. Là aussi, le diamètre D32 caractérise mieux la structure de flamme de la distribution polydisperse. Ce constat permet de réaliser les premiers calculs Eulériens en utilisant ce diamètre. L’étude met en évidence un scénario définissant l’allumage transitoire, réalisé par une méthode grossière, et pointe les différences entre les formalismes en termes de convergence statistique. L’étude de la structure de flamme diphasique présente des différences concernant le mélange et la combustion, même si les mêmes régimes de combustion sont présents. Des pistes comme la fermeture du terme d’évaporation en LES, ou la méthodologie d’allumage sont envisagées pour expliquer ces différences.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution:Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Laboratory name:
Research Director:
Cuenot, Bénédicte and Riber, Eleonore
Statistics:download
Deposited On:01 Jul 2013 21:58

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