modélisation de la formation des suies et du couplage avec le rayonnement dans les foyers...
TRANSCRIPT
Modélisation de la formation des suies et du couplage avec le rayonnement dans
les foyers aéronautiques
Luc-Henry Dorey3ème annéeDEFA/PRABourse ONERA
Directeur de thèse: Francis Dupoirieux
(DEFA/PRA)
Encadrants ONERA: Lionel Tessé
Nicolas Bertier
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
2
Plan• Positionnement du problème
• Contexte • Objectifs scientifiques• Démarche de la thèse
• Modélisation de l’écoulement dans la chambre TLC (Towards Lean Combustion)
• Description de la configuration• Paramètres et modèles utilisés• Résultats:
• Apport de la cinétique réduite corrigée
• Comparaison RANS – LES
• Comparaison avec les mesures expérimentales
• Prise en compte du rayonnement
• Conclusions et perspectives• Publications et modules de formation suivis
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
3
Contexte
• Les suies sont des particules indésirables :• Nanoparticules nocives pour la santé• Principal précurseur des traînées de condensation
• Dans les chambres de combustion :
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
4
Objectifs de la thèse
• Calculer les transferts thermiques dans les chambres de combustion, notamment aux parois
• Prédire les niveaux des émissions polluantes des moteurs
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
5
Démarche de la thèse
• Modélisation de la formation des suies :• Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique• Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le
modèle semi-empirique de Leung
• Couplage combustion – rayonnement :• Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de
rayonnement Monte Carlo ASTRE• Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE• Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE
• Application de la stratégie de modélisation à la chambre TLC• Nouveau concept de chambre « basses émissions » doté d’un injecteur multipoint à
swirl SNECMA• L’un des foyers le mieux instrumenté en Europe (banc M1)
• Mesures DRASC de température (DMPH)• Mesures de vapeur de kérosène et de radical OH par PLIF (DMPH)• Mesures de fractions volumiques de suies dans la chambre par LII (DLR)• Mesures de fractions volumiques de suies en sortie par prélèvement (DLR)• Caractérisation de la phase dispersée à froid (DMAE)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
Application de la stratégie de calcul:la chambre TLC
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
7
Configuration de la chambre TLC
• Domaine de calcul :
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
8
Configuration de la chambre TLC
• Domaine de calcul et conditions aux limites :
Injection axiale (film de refroidissement)
Injection collerette radialeRangée de vrilles radiales
2 rangées de vrilles axiales contrarotatives
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
9
Paramètres numériques
• Maillage utilisé (conçu pour la LES) :• 3 millions de tétraèdres• Cellules de 0,6 mm de « diamètre » dans la zone de flamme
• Injection diphasique de kérosène par deux circuits
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
10
Caractéristiques de la simulation
• Point de fonctionnement :• Régime intermédiaire (phase de vol : approche)• Pression chambre : 9,5 bar• Température de l’air en entrée : 592 K• Injection du fuel à 50% par le multipoint et à 50% par le pilote
• Chaîne de calcul CEDRE• Solveur CHARME (gaz)• Solveur SPARTE (phase dispersée en approche lagrangienne)• Solveur ASTRE (rayonnement)
• Modèles et schémas numériques• Cinétique Arrhenius corrigée à 2 étapes et 6 espèces• Pour le RANS : modèle k-l et pas de temps de 10-6 s.• Pour la LES : modèle TFLES et pas de temps de 5.10-7 s.• Phase dispersée : fragmentation secondaire à Weber 12• Schéma d’intégration temporelle Euler implicite
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
11
Comparaison RANS - LES
• Champ de température (K)
RANS LES (champ moyen)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
12
Comparaison RANS - LES
• Champ de vitesse axiale (m.s-1)
RANS LES (champ moyen)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
13
Comparaison RANS - LES
• Champ de vitesse transversale (m.s-1)
RANS LES (champ moyen)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
14
Régimes de combustion
• Critère de Takeno corrélé au taux de réaction:
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
15
Topologie 3D de l’écoulement
• Evolution temporelle du champ de température et de taux de disparition de combustible
• Topologie du champ de gouttes de kérosène liquide• Evolution temporelle des jets de gouttes de kérosène
liquide • Topologie de la flamme et de sa richesse.
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
16
Confrontation avec l’expérience
• Profils de température : emplacements des mesures
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
17
Confrontation avec l’expérienceIntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
18
Confrontation avec l’expérience
• Fraction volumique de suies (échelle arbitraire)
mesures LII LES (champ moyen)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
19
Calcul du rayonnement
• Stratégie utilisée : • Le même maillage est utilisé pour le calcul de l’écoulement et pour
celui du rayonnement.• Restriction du domaine de calcul :
• Utilisation de la nouvelle fonctionnalité « domaines utilisateurs » de CEDRE
domaines dans lesquels le rayonnement n’est pas calculé
domaine dans lequel le rayonnement est calculé
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
20
Calcul du rayonnement
• Premiers résultats sur un champ instantané LES• Puissance radiative (W.m-3) :
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
21
Conclusions et perspectives
• Améliorations apportées à la simulation de la combustion :• Cinétique corrigée qui permet de ne pas brûler à richesse trop élevée.• Approche LES améliorant la modélisation du mélange entre le
kérosène gazeux et l’air.
• Comparaison du calcul aux mesures expérimentales :• Les profils de température se rapprochent de l’expérience grâce aux
améliorations apportées.• La topologie de la répartition des suies dans la chambre est bien
reproduite.
• Pistes d’amélioration des résultats :• Application de la méthodologie sur la géométrie définitive de
l’injecteur ayant servi aux mesures.• Prise en compte de l’effet du rayonnement sur la combustion par la
réalisation d’un calcul couplé LES – rayonnement.
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
22
Publications et formations suivies
• Publications dans des journaux à comité de lecture• En cours de rédaction :
• Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, Soot formation and radiative transfer modelling in laminar premixed flames. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux.
• Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Assessment of RANS and LES approaches in a multi-point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux.
• Prévues :• Article en fin de thèse sur les résultats du couplage LES – rayonnement.
• Communications dans des congrès• SFT 2009 (Société Française de Thermique). Simulation numérique des transferts couplés
conduction-rayonnement au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel
• CIFEM 2010 (Colloque International Francophone d’Energétique et Mécanique). Modélisation et simulation numérique des transferts conductif et radiatif au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel
• IHTC-14 (International Heat Transfer Conference), 2010. A strategy for modeling soot formation and radiative transfer in turbulent flames. L.-H. Dorey, L. Tessé, N. Bertier, F. Dupoirieux
• ODAS 2011 (Onera-DLR Aerospace Symposium). Combustion and soot formation modelling in a multi-point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux.
• Formations suivies• Anglais (Ecole Centrale)
• Programmation parallèle MPI – OpenMP (CCRT)
• Rédaction du mémoire de thèse (ONERA)
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
23
Démarche de la thèse
• Modélisation de la formation des suies :• Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique• Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le
modèle semi-empirique de Leung• Particules formées à partir d’un précurseur issu de la décomposition du combustible• Intégration de deux équations de transport supplémentaires• Particules supposées sphériques et de taille constante
• Couplage combustion – rayonnement :• Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de
rayonnement Monte Carlo ASTRE• Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE
• CHARME, parallélisé par domaines géométriques, transmet les champs de température et de fractions molaires d’espèces et de suies à ASTRE.
• ASTRE, parallélisé par chemins optiques, transmet les puissances radiatives à CHARME.
• Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE• Plus de calculs pour moins de stockage
• Réduction du calcul du rayonnement à la zone d’intérêt
• Allocations progressives pour réduire les pics d’occupation mémoire
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
24
Calculs RANS
• Modifications apportées par la cinétique corrigée (PEA)
Richesse équivalente des gaz frais Taux de dégagement de chaleur(J.m-3.s-1)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion
DE
FA
/PR
A -
JD
D 2
011
25
Comparaison RANS - LES
• Champ de fraction massique de suies
RANS LES (champ moyen)
IntroductionModèles et méthodesRésultatsConclusion