Etude du mélange et de la combustion monophasique dans un statoréacteur de recherche PDF Download
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Book Description
Au milieu des années 90, l'ONERA a lancé avec le soutien de la DGA un programme de recherche dénommé Statoréacteur de Recherche. Ces recherches s’appuient sur une expérience de base fortement instrumentée, représentative des configurations géométriques et des écoulements rencontrés dans les statoréacteurs à chambre "tourbillonnaire". Celle-ci doit permettre d’améliorer la modélisation des phénomènes physiques et ainsi de valider les codes d’aérothermochimie destinés à la prévision de fonctionnement tels que le code de l’ONERA : CEDRE. Dans ce cadre, la présente contribution est consacrée plus particulièrement à la configuration statofusée et à l’évaluation des capacités prévisionnelles de la Simulation aux Grandes Échelles. En premier lieu, la démarche a consisté à enrichir la base de données expérimentales en recourant au banc aérodynamique. Nous avons ainsi caractérisé le mélange à froid en mettant en œuvre une méthode de mesure intrusive développée par l'ONERA Toulouse. Des mesures de vitesses et des fluctuations associées par Vélocimétrie par Imagerie de Particules ont permis de compléter la base de données. Dans un second temps, le mélange puis la combustion ont été simulés avec l'approche LES afin d’examiner et de distinguer les différents phénomènes se déroulant dans la chambre. Deux modèles basés sur une hypothèse de mélange imparfait à l’échelle moléculaire ont été employés afin de reproduire les caractéristiques de la combustion dans un statoréacteur. Enfin, un bilan de l'intérêt de chaque méthode numérique permet de conclure cette thèse et d'ouvrir les perspectives pour la simulation numérique future des chambres de combustion subsonique de statoréacteurs.
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Au milieu des années 90, l'ONERA a lancé avec le soutien de la DGA un programme de recherche dénommé Statoréacteur de Recherche. Ces recherches s’appuient sur une expérience de base fortement instrumentée, représentative des configurations géométriques et des écoulements rencontrés dans les statoréacteurs à chambre "tourbillonnaire". Celle-ci doit permettre d’améliorer la modélisation des phénomènes physiques et ainsi de valider les codes d’aérothermochimie destinés à la prévision de fonctionnement tels que le code de l’ONERA : CEDRE. Dans ce cadre, la présente contribution est consacrée plus particulièrement à la configuration statofusée et à l’évaluation des capacités prévisionnelles de la Simulation aux Grandes Échelles. En premier lieu, la démarche a consisté à enrichir la base de données expérimentales en recourant au banc aérodynamique. Nous avons ainsi caractérisé le mélange à froid en mettant en œuvre une méthode de mesure intrusive développée par l'ONERA Toulouse. Des mesures de vitesses et des fluctuations associées par Vélocimétrie par Imagerie de Particules ont permis de compléter la base de données. Dans un second temps, le mélange puis la combustion ont été simulés avec l'approche LES afin d’examiner et de distinguer les différents phénomènes se déroulant dans la chambre. Deux modèles basés sur une hypothèse de mélange imparfait à l’échelle moléculaire ont été employés afin de reproduire les caractéristiques de la combustion dans un statoréacteur. Enfin, un bilan de l'intérêt de chaque méthode numérique permet de conclure cette thèse et d'ouvrir les perspectives pour la simulation numérique future des chambres de combustion subsonique de statoréacteurs.
Author: JEAN-MARIE.. PETIT Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 157
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LA COMBUSTION EN MELANGE PAUVRE DANS LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE EST UNE VOIE D'AVENIR INTERESSANTE POUR REDUIRE LES EMISSIONS DE CO, CO#2, NO#X ET LA CONSOMMATION SPECIFIQUE DE CARBURANT, DANS LA MESURE OU LE PROBLEME DE L'AUGMENTATION DE LA DISPERSION CYCLIQUE DE LA COMBUSTION QUAND LA RICHESSE DU MELANGE DIMINUE PEUT ETRE RESOLU. L'OBJECTIF DE L'ETUDE EST DE DEFINIR UNE STRATEGIE D'INITIATION DE LA COMBUSTION PAR ETINCELLE, EN MELANGE PAUVRE, POUR LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE, A PARTIR D'UNE APPROCHE EXPERIMENTALE BASEE SUR L'ETUDE DE LA DISTRIBUTION TEMPORELLE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE. UNE APPROCHE THEORIQUE PERMET DE MONTRER DANS UN PREMIER TEMPS QUE LA CONDITION GEOMETRIQUE ET ENERGETIQUE D'INITIATION EST CROISSANTE, EN MELANGE HOMOGENE PAUVRE STAGNANT, QUAND LA RICHESSE DU MELANGE DIMINUE. PUIS, UNE ETUDE EXPERIMENTALE EN MICRO-BOMBE (ENCEINTE DE VOLUME REDUIT, MELANGE HOMOGENE PAUVRE STAGNANT) PERMET DE FAIRE RESSORTIR LES EFFETS DE LA DUREE DE L'APPORT DE L'ENERGIE ELECTRIQUE SUR LA RICHESSE LIMITE D'INITIATION, LA CROISSANCE INITIALE DE LA POCHE DE GAZ CHAUDS (PENDANT LA PREMIERE MILLISECONDE QUI SUIT LA PHASE DE BREAKDOWN) ET LE TAUX D'EROSION DE LA CATHODE. DES MOYENS ET DES METHODES DE MESURE MULTIPLES SONT MIS EN UVRE. ENFIN, UNE ETUDE EXPERIMENTALE SUR MOTEUR MONOCYLINDRE (REGIME STABILISE ET FAIBLE CHARGE) PERMET D'ABOUTIR A LA DEFINITION D'UNE STRATEGIE D'INITIATION DE LA COMBUSTION EN MELANGE PAUVRE IMPARFAIT QUI S'APPUIE SUR DEUX CRITERES: L'EXCES D'AIR CRITIQUE QUI PERMET DE CARACTERISER L'EFFET DES PRINCIPAUX PARAMETRES DE LA SOURCE D'ALLUMAGE EN TERME DE LIMITE DE FONCTIONNEMENT EN MELANGE PAUVRE DU MOTEUR ET LA DUREE CRITIQUE D'ALLUMAGE (OU DUREE MINIMALE DE L'APPORT D'ENERGIE ELECTRIQUE) QUI PERMET DE CARACTERISER L'AUTONOMIE TEMPORELLE DU PROCESSUS DE COMBUSTION VIS A VIS DE LA SOURCE D'ALLUMAGE. IL RESSORT NETTEMENT DE L'ETUDE QUE LE MODE D'APPORT DE L'ENERGIE ELECTRIQUE EST UN PARAMETRE STRATEGIQUE MAJEUR POUR INSTAURER UN PROCESSUS DE COMBUSTION DANS DES CONDITIONS DIFFICILES (LIMITE D'INFLAMMABILITE DU MELANGE, MELANGE IMPARFAIT, PRESENCE DE PAROIS), QUE LA RESPONSABILITE DE LA SOURCE D'ALLUMAGE SUR LA LIMITE DE FONCTIONNEMENT EN MELANGE PAUVRE DU MOTEUR N'EST PAS TOTALE ET ENFIN, QUE LA TRANSPOSITION DES RESULTATS OBTENUS EN BOMBE, VERS LE MOTEUR, N'EST PAS IMMEDIATE. L'ETUDE REALISEE S'INSCRIT DANS LE CADRE D'UN PROGRAMME DE RECHERCHE INDUSTRIEL NATIONAL MOTEUR PROPRE ET ECONOME
Author: Marc Bellenoue Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 126
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LE STATOREACTEUR A COMBUSTION EN FLUX SUPERSONIQUE EST L'UN DES PROPULSEUR AEROBIE ENVISAGES POUR LES VEHICULES HYPERSONIQUES (M > 5). LORS DE LA TRANSITION DU REGIME D'ECOULEMENT SUBSONIQUE AU REGIME SUPERSONIQUE DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION, LES CONDITIONS A L'ENTREE DE CELLE-CI N'AUTORISENT PAS L'INFLAMMATION SPONTANEE DU CARBURANT (HYDROGENE). LE BUT DES TRAVAUX PRESENTES DANS CE MEMOIRE EST, D'UNE PART, LA MISE AU POINT D'UN PROCEDE D'INITIATION DE LA COMBUSTION LORS DE CETTE TRANSITION, D'AUTRE PART, L'ETUDE DU DEVELOPPEMENT DE LA COMBUSTION D'UN PREMELANGE D'HYDROGENE ET D'AIR. UNE SOUFFLERIE SUPERSONIQUE A HAUTE TEMPERATURE GENERATRICE A ETE REALISEE A CETTE FIN. UN MODELE NUMERIQUE MONODIMENSIONNEL A ETE ELABORE AFIN DE DEDUIRE, DES REPARTITIONS DE PRESSIONS PARIETALES, LE RENDEMENT DE COMBUSTION. L'INSTALLATION D'UNE PLAQUE CATALYTIQUE DE PLATINE PUR EN PAROI A PERMIS D'ETUDIER L'INITIATION ET LE DEVELOPPEMENT DE LA COMBUSTION POUR DES RICHESSES DE 0,13 A 0,21. UN TEL CATALYSEUR A ETE CHOISI AFIN DE PALLIER AU PHENOMENE DE FRITTAGE QUI SE PRODUIT A HAUTE TEMPERATURE. L'ETUDE DE DEUX LONGUEURS DE PLAQUES CATALYTIQUES A MONTRE LE ROLE ESSENTIEL DE CE PARAMETRE SUR LE PROCESSUS D'ALLUMAGE. EN OUTRE, L'IMPORTANCE DES PERTES DE CHALEURS AUX PAROIS A EGALEMENT ETE MISE EN EVIDENCE. CE TRAVAIL A ETE COMPLETE PAR LA DEFINITION D'UN DISPOSITIF PASSIF AERODYNAMIQUE D'AMELIORATION DES TAUX DE MELANGE DES COUCHES CISAILLEES SUPERSONIQUES ; SON PRINCIPE CONSISTE A GENERER DES TOURBILLONS DONT L'AXE EST PARALLELE A LA DIRECTION PRINCIPALE DES ECOULEMENTS. L'INFLUENCE DE L'INCIDENCE DES GENERATEURS DE TOURBILLONS A ETE EXAMINEE. LE DISPOSITIF A ENSUITE ETE ADAPTE AU CAS REACTIF AFIN D'ACCROITRE LE RENDEMENT DE LA COMBUSTION. IL S'EST AVERE TRES EFFICACE PUISQUE, POUR DES RICHESSES SUPERIEURES A 0,19, L'EMBALLEMENT DE LA COMBUSTION A ETE OBSERVE
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LE TRAVAIL DE RECHERCHE REPOSE SUR UNE ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PREPARATION DU MELANGE ET DE LA COMBUSTION DANS UN MOTEUR A ETINCELLE MUNI D'ACCES OPTIQUES, REPRESENTATIF D'UN MOTEUR DE PRODUCTION. LE PROCESSUS D'ADMISSION DU MELANGE DANS LE CYLINDRE ET SON HOMOGENEITE EN FIN DE COMPRESSION SONT ETUDIES A L'AIDE DE LA TECHNIQUE DE FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER APPLIQUEE A UN TRACEUR (LE DIACETHYL) MELANGE AU CARBURANT. LES RESULTATS METTENT EN EVIDENCE L'INFLUENCE DU PHASAGE DE L'INJECTION SUR LE PROCESSUS DE MELANGE : LORSQUE L'INJECTION A LIEU PENDANT LA PHASE D'OUVERTURE DES SOUPAPES D'ADMISSION, UNE PARTIE DU CARBURANT PENETRE DANS LE CYLINDRE SOUS FORME LIQUIDE. SA VAPORISATION TARDIVE NE PERMET ALORS PAS D'OBTENIR UN MELANGE HOMOGENE EN FIN DE COMPRESSION. LA PROPAGATION DE LA FLAMME EST ETUDIEE PAR VISUALISATION DE L'EMISSION LUMINEUSE. L'INFLUENCE DE L'AERODYNAMIQUE (ECOULEMENT AU NIVEAU DE LA BOUGIE, INTENSITE DE LA TURBULENCE) SUR LA CONVECTION INITALE DU NOYAU ET LA VITESSE DE PROPAGATION TURBULENTE DE LA FLAMME, EST MISE EN EVIDENCE. LE RALENTISSEMENT DE LA VITESSE DE PROPAGATION DE LA FLAMME LORS DU FONCTIONNEMENT DU MOTEUR EN MELANGE DILUE (MELANGE PAUVRE OU FONCTIONNEMENT AVEC RECIRCULATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT) EST QUANTIFIE. L'ALLONGEMENT ET L'INSTABILITE DE LA PHASE D'EXPANSION INITIALE DU NOYAU APPARAIT COMME LE FACTEUR LIMITANT DE CE MODE DE FONCTIONNEMENT. UNE STRATEGIE SUR LE PHASAGE DE L'INJECTION, PERMETTANT DE TIRER PARTIE DE L'HETEROGENEITE DU MELANGE RESULTANT D'UN PHASAGE SOUPAPES D'ADMISSION OUVERTES, EST PROPOSEE ET VALIDEE.
Author: John Grondin Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 227
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Ce travail a été entrepris dans le cadre de l'optimisation de la combustion des flammes jets dans les chambres de combustion de propulseurs aérobie. L'étude porte sur la caractérisation expérimentale de l'influence du rapport de vitesse r=Uair/Ucombustible, du rapport de masse volumique s=þair/þcombustible, ainsi que de la nature du combustible (H2 et mélange CH4/H2) sur le mélange et la combustion. Il apparaît que le rapport s n'influe pas sur le mélange, alors qu'une diminution du rapport r entraîne une augmentation du mélange. La nature du combustible (composition du mélange) n'a pas non plus d'influence sur le mélange. On observe ainsi un mélange principalement piloté par le mélange aérodynamique (diffusion moléculaire négligeable devant la diffusion turbulente). L'étude de la combustion a montré que les rapports r et s n'ont pas d'influence sur le taux de combustible brûlé. Contrairement à la composition chimique du mélange, où l'on observe une diminution du taux de combustible brûlé avec l'introduction du méthane dans le mélange. Du fait d'une cinétique chimique plus lente du CH4, on voit apparaître des extinctions locales de la flamme. Elles sont d'autant plus importantes que la proportion de CH4 augmente. L'étude du dégagement de chaleur dans le cas de la flamme H2/air révèle que la diminution du rapport r entraîne une augmentation de ce dernier. Enfin nous avons pu mettre en évidence une longueur de combustion conditionnée par la présence du confinement (via l'accélération des écoulements extérieurs).
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La combustion supersonique est bien adaptée à la propulsion des véhicules hypersoniques aérobies. Le statoréacteur àcombustion supersonique (superstatoréacteur) surclasse les systèmes plus classiques (turboreacteur, statoreacteur à combustion subsonique) lorsque le Mach de vol dépasse 7. La conception des foyers à combustion supersonique pose des problèmes fondamentaux et techniques difficiles. Des questions spécifiques posées par l'accrochage par une onde de choc au sein d'un mélange hydrogène-air. Une cinétique réactionnelle complexe est sélectionnée puis utilisée. Elle rend compte des principaux phénomènes caractérisant la combustion de l'hydrogène dans l'air : temps d'allumage, limites d'explosibilité d'un mélange stœchiométrique. Un code volumes finis, résolvant les équations de Navier-Stokes réactives, est adapté aux calculs de combustion supersonique. Les méthodes numériques employées sont exposées : en particulier la description des flux d'Euler par des solveurs approchés de Riemann (méthode de Roe, méthode des courbes de choc, flux d'Osher). Ces méthodes précises se sont cependant révélées délicates à utiliser du fait de la raideur du système. Deux configurations principales de calcul ont été dégagées d'une étude bibliographique des expériences et calculs de combustion faisant intervenir des chocs. Une étude numérique de l'allumage d'une flamme hydrogène-air derrière un disque de mach est présentée pour la première fois. Elle permet d'affirmer que les ondes observées dans les expériences précédemment citées sont des ondes de choc, et non pas des ondes de détonation. La position du disque de mach dépend de la modélisation employée au cours des calculs. La seconde configuration est celle d'un dièdre plonge dans un écoulement prémélangé air-hydrogène d'un nombre de Mach de 3. Les résultats prouvent que des détonations obliques fortes peuvent être stables, cette configuration constituant un mode d'accrochage envisageable pour une flamme. Ils montrent de plus les limites de la théorie classique des polaires de détonation aux hypothèses trop simplificatrices (propriétés thermodynamiques constantes). Enfin un calcul reprenant la première configuration à une température plus élevée met en évidence l'analogue de la réflexion de Mach pour des ondes de détonation. Ces études montrent qu'un tel système peut-être instable. Ces études concernant des situations pouvant se produire au sein de la chambre de combustion d'un superstatoréacteur, mettent en évidence des phénomènes dont il faut tenir compte.
Author: Jean-Denis Henry Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 234
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LES TRAVAUX PRESENTES DANS CE MEMOIRE FONT PARTIE DE L'ACTION DE RECHERCHES CONCERTEES (CNRS-ADEME-PSA-RENAULT) MOTEURS (A PISTON) PROPRES ET ECONOMES DONT LES PRINCIPAUX EFFORTS SONT CONCENTRES SUR LES ETUDES DES INTERACTIONS, DANS UN VOLUME FERME, ENTRE LA COMBUSTION D'UN MELANGE PREALABLE ET UN ECOULEMENT TOURBILLONNAIRE TURBULENT. DEUX SUJETS ONT FAIT L'OBJET DE MA CONTRIBUTION: 1. LA CARACTERISATION, REALISEE A L'AIDE DE LA STRIOSCOPIE, LA TOMOGRAPHIE, LA VELOCIMETRIE LASER, A CONFIRME UNE BONNE REPRESENTATIVITE DE L'ECOULEMENT CREE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION DU TYPE MONOCOUP VIS-A-VIS DES CONDITIONS DANS LES MOTEURS. UNE ATTENTION PARTICULIERE A ETE PORTEE SUR LES METHODES STATISTIQUES AFIN DE DETERMINER CORRECTEMENT, A PARTIR DES DONNEES ECHANTILLONNEES A CADENCE IRREGULIERE, LES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE DES PHENOMENES DE COURTE DUREE. 2. LA DYNAMIQUE DU NOYAU DE GAZ CHAUD, ENTRE ET AU VOISINAGE DES ELECTRODES D'ALLUMAGE, A ETE ETUDIEE PAR LA VISUALISATION EN STRIOSCOPIE. LES GRANDES ETAPES DE L'ONDE DE CHOC GENEREE LORS DU BREAK-DOWN JUSQU'A LA FORMATION DU NOYAU DE FLAMME AUTONOME ONT PU ETRE SEPAREMENT ETUDIEES GRACE A L'UTILISATION DE MOYENS D'ENREGISTREMENTS RAPIDES. CECI NOUS A PERMIS UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE LA PREMIERE PHASE DE COMBUSTION (DES MELANGES PREALABLES) PROVOQUEE ENTRE DEUX ELECTRODES A FAIBLE ECARTEMENT PAR UNE DECHARGE ELECTRIQUE. L'IMPORTANCE DES FLUCTUATIONS DE VITESSE ET L'ANISOTROPIE LIEE AU MOUVEMENT D'ENSEMBLE ONT ETE CLAIREMENT MISES EN EVIDENCE
Author: Sébastien Reichstadt
Author: Sébastien Reichstadt
Author: JEAN-MARIE.. PETIT
Author: Marc Bellenoue
Author: THIERRY.. DUVERGER
Author: Jean Rappeneau
Author: 
Author: John Grondin
Author: Olivier Guérineau
Author: Jean-Denis Henry
Author: Salvador Malheiro