Modélisation de la combustion turbulente non-prémélangée avec prise en compte d'une cinétique chimique detaillée PDF Download
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Une contribution à la modélisation de la combustion turbulente non-prémélangée avec prise en compte d'une cinétique chimique détaillée est présentée. Dans un premier temps, deux méthodes de réduction de la cinétique chimique sont présentées : une méthode empirique basée sur des hypothèses d'équilibre partiel et une méthode de réduction automatique appelée « Intrinsic Low-Dimensional Manifold » (ILDM). Cette dernière permet de réduire des schémas cinétiques complets localement dans l'espace des compositions en optimisant les hypothèses effectuées. Le schéma simplifié est alors décrit par un nombre réduit de variables d'avancement. Dans un deuxième temps, la densité de probabilité jointe de la composition (pdf) est déterminée. Deux approches sont alors décrites : l'approche pdf présumée et la résolution de l'équation de transport de la pdf jointe. Une pdf jointe présumée multiscalaire en bêta est présentée. L'évolution qualitative de la pdf de la composition est retrouvée mais l'extension de cette approche à un nombre plus important de scalaires est nécessaire. Un code de Monte-Carlo eulérien, résolvant l'équation de transport de la pdf de la composition est ensuite mis en œuvre et validé par le calcul de deux flammes jets de diffusion turbulentes. Bien que le nombre de variables du schéma simplifie par la méthode « ILDM » soit insuffisant pour fournir une bonne description des processus chimiques se produisant loin de la stœchiométrie et pour de forts étirements du front de flamme, l'extinction partielle de la première flamme est prédite qualitativement. Concernant la deuxième flamme, on montre la capacité de la méthode à prédire les variations de la pdf de la température et le suréquilibre radicalaire, dont la prédiction est nécessaire au calcul de polluants.
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Une contribution à la modélisation de la combustion turbulente non-prémélangée avec prise en compte d'une cinétique chimique détaillée est présentée. Dans un premier temps, deux méthodes de réduction de la cinétique chimique sont présentées : une méthode empirique basée sur des hypothèses d'équilibre partiel et une méthode de réduction automatique appelée « Intrinsic Low-Dimensional Manifold » (ILDM). Cette dernière permet de réduire des schémas cinétiques complets localement dans l'espace des compositions en optimisant les hypothèses effectuées. Le schéma simplifié est alors décrit par un nombre réduit de variables d'avancement. Dans un deuxième temps, la densité de probabilité jointe de la composition (pdf) est déterminée. Deux approches sont alors décrites : l'approche pdf présumée et la résolution de l'équation de transport de la pdf jointe. Une pdf jointe présumée multiscalaire en bêta est présentée. L'évolution qualitative de la pdf de la composition est retrouvée mais l'extension de cette approche à un nombre plus important de scalaires est nécessaire. Un code de Monte-Carlo eulérien, résolvant l'équation de transport de la pdf de la composition est ensuite mis en œuvre et validé par le calcul de deux flammes jets de diffusion turbulentes. Bien que le nombre de variables du schéma simplifie par la méthode « ILDM » soit insuffisant pour fournir une bonne description des processus chimiques se produisant loin de la stœchiométrie et pour de forts étirements du front de flamme, l'extinction partielle de la première flamme est prédite qualitativement. Concernant la deuxième flamme, on montre la capacité de la méthode à prédire les variations de la pdf de la température et le suréquilibre radicalaire, dont la prédiction est nécessaire au calcul de polluants.
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APRES UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES PRINCIPAUX MECANISMES CINETIQUES GLOBAUX DE LA COMBUSTION DU METHANE, UNE DESCRIPTION DES MODELES DE COMBUSTION TURBULENTE POUR LES FLAMMES DE DIFFUSION EST FAITE. UNE AMELIORATION DU MODELE LAGRANGIEN DE COMBUSTION TURBULENTE M.I.L. EST PROPOSEE A TRAVERS UN CALCUL DE DELAIS D'IGNITION. CE CALCUL UTILISE UN MECANISME GLOBAL DE SIX REACTIONS A DIX ESPECES. UNE BIBLIOTHEQUE DE DELAIS D'IGNITION EST DONC ETABLIE POUR ETRE UTILISEE DANS LE CODE DE CALCUL CORA. CE CODE UTILISE UNE METHODE NUMERIQUE DE TYPE DIFFERENCES-FINIES. PAR AILLEURS, UN MODELE K- STANDARD PERMET DE CALCULER LES EVOLUTIONS DES VARIABLES DYNAMIQUES. LA VALIDATION DU MODELE M.I.L. AVEC LA PRISE EN COMPTE D'UNE BIBLIOTHEQUE DE DELAIS D'IGNITION, A ETE FAITE SUR UNE EXPERIENCE DE FLAMMES DE DIFFUSION TURBULENTE, QUI PRESENTENT DES ZONES D'EXTINCTION PARTIELLES ET DES ZONES DE REALLUMAGE. UN BON ACCORD EST OBSERVE ENTRE LES CALCULS ET LES MESURES DES VITESSES LONGITUDINALES ET DE L'ENERGIE CINETIQUE DE TURBULENCE. LE MODELE K- REPRODUIT RELATIVEMENT BIEN LE CHAMP TURBULENT. LES ZONES D'EXTINCTIONS PARTIELLES ET DE REALLUMAGES SONT RETROUVEES PAR LES CALCULS. TOUS CES RESULTATS DE CALCULS TENDENT A MONTRER QUE LE MODELE M.I.L., DOTE D'UNE BIBLIOTHEQUE DE DELAIS D'IGNITION EST CAPABLE DE SIMULER DE MANIERE SATISFAISANTE, LE COUPLAGE ENTRE LA TURBULENTE ET LA CHIMIE DANS LES FLAMMES TURBULENTES NON PREMELANGEES
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Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire EM2C du CNRS et de l'ECP et l'industriel verrier Saint-Gobain. Nous nous sommes intéressés à la modélisation de la combustion turbulente et des émissions de polluants. Pour cela, nous avons développé un modèle de combustion turbulente basé sur le couplage entre le modèle de flamme cohérente CFM et la chimie détaillée. Le choix du modèle CFM repose sur sa capacité à décrire l'interaction entre le front de flamme et les structures turbulentes de l'écoulement dans lequel il évolue. Nous avons réalisé son couplage avec la chimie détaillée en utilisant des méthodes de tabulation de la cinétique chimique. Nous avons, ensuite, développé un modèle de traitement d'oxydes d'azote et plus particulièrement de NO thermique puisque les modèles existants se basent sur des hypothèses grossières qui ne permettent pas d'estimer les NOx produits de manière précise. Nous avons alors proposé une modélisation de la formation des NOx basée sur la chimie détaillée limitant ainsi les hypothèses requises. Pour tester ces modèles, nous avons réalisé des simulations numériques sur deux configurations 2D de laboratoire et une configuration 3D d'un brûleur de four verrier et ce sur les trois modes de combustion : prémélangée, partiellement prémélangée et non prémélangée. Les résultats obtenus sont très prometteurs et ont montré la capacité du modèle développé à décrire la combustion turbulente en y intégrant la chimie détaillée.De plus, le modèle de NOx a montré un comportement cohérent en fonction des principaux paramètres du problème. Il reste, toutefois, à être validé par des données expérimentales.
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Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à la combustion turbulente non-prémélangée dans des écoulements rapides, et éventuellement diphasiques. Pour ce type de conditions, il devient nécessaire, du point de vue de la modélisation, de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent et la cinétique chimique. Dans ces écoulements, la conversion de tout ou partie de l'énergie cinétique de l'écoulement sous forme d'enthalpie sensible va influencer le développement des réactions chimiques et peut contribuer notablement à la conversion des réactifs en produits de combustion ainsi qu'à la stabilisation des flammes. De plus, les échelles de temps caractéristiques du mélange turbulent et de la cinétique chimique sont susceptibles d'être du même ordre de grandeur et l' ypothèse de chimie infiniment rapide n'est pas toujours applicable. Dans cette étude, une approche basée sur l'évaluation de la PDF jointe de deux quantités scalaires est retenue : la première variable permet de quantifier la richesse locale du mélange, la seconde caractérise l'écart à l'état d'équilibre chimique. Une hypothèse de "chimie brusque" permet d'introduire une dépendance explicite entre ces deux variables pour s'en tenir à la seule détermination de la PDF de la variable de mélange. Cette approche est étendue au cas de la combustion supersonique en considérant de surcroît les variations d'enthalpie totale. Enfin, les fluctuations de composition induites par la vaporisation d'un des deux réactifs sont elles-aussi prises en compte. Le modèle complet est implanté dans un code de calcul Navier-Stokes tridimensionnel compressible et réactif. Dans le cadre de cette étude, la résolution est couplée à une méthode d'adaptation de maillage qui permet d'améliorer significativement la représentation des zones de mélange et des fortes discontinuités. L'approche proposée est ensuite validée en s'appuyant sur différentes géométries: jets co-courants supersoniques H2-air vicié, jets fortement sous-détendus, chambre de combustion de type Scramjet. Enfin, le modèle est aussi employé pour effectuer un calcul de la configuration Mascotte de l'Onera dans un cas sous-critique. Les simulations numériques correspondantes conduisent à des résultats encourageants et ouvrent de nombreuses perspectives aussi bien quant à l'utilisation du modèle le cadre d'approches U-RANS ou LES que vis-à-vis de son extension à des conditions de combustion extrêmes (super-critiques).
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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.
Author: El Houssin Affad Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 214
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LES TRAVAUX DE MODELISATION DE LA COMBUSTION ET DES PHENOMENES CHIMIQUES DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE REVETENT UNE GRANDE IMPORTANCE POUR LA PREDICTION DES POLLUANTS CHIMIQUES (CO, NO#X) EMIS PAR LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE. DANS LES CODES DE CALCUL COMPLET EXISTANTS POUR PREDIRE L'AERODYNAMIQUE INTERNE DES CHAMBRES DE COMBUSTION (KIVA, SPEED,) LA CHIMIE EST TRAITEE DE FACON TRES SIMPLIFIEE ET DONNE DES PREDICTIONS TRES APPROXIMATIVES DES ESPECES PRINCIPALES. LE BUT DE CETTE THESE ETAIT DE: CHOISIR APRES UNE SERIE DE VALIDATIONS, UN SCHEMA CINETIQUE REDUIT FIABLE DANS LE DOMAINE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE (HAUTE PRESSION ET TEMPERATURE). REALISER UN COUPLAGE ENTRE UN MODELE UTILISANT DES PDF PRESUMEES ET UN MODELE EULERIEN-LAGRANGIEN POUR LA MODELISATION DE LA COMBUSTION TURBULENTE, PUIS IMPLANTER CE MODELE DANS LE CODE KIVA II. DES COMPARAISONS DES RESULTATS NUMERIQUES AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT LA PROPAGATION D'UNE FLAMME EN MILIEU CONFINE MACHINE A COMPRESSION RAPIDE (EXPERIENCE DE L'ARC-MOTEUR) ET LES EMISSIONS DES POLLUANTS EMIS PAR UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE ONT ETE SATISFAISANTES
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LE SUJET DE CETTE THESE EST LA MODELISATION DE LA COMBUSTION TURBULENTE EN MILIEU DIPHASIQUE TELLE QU'ELLE A LIEU PAR EXEMPLE DANS LES MOTEURS DIESEL. CERTAINES EXPERIENCES NOTAMMENT CELLES PRESENTEES DANS CETTE THESE SUGGERENT QUE QUAND LE COMBUSTIBLE NECESSAIRE A LA COMBUSTION EST SOUS FORME D'UN NUAGE DE GOUTTES, LES FLUCTUATIONS EN PARTICULIER DE RICHESSE DANS LE MILIEU GAZEUX SONT PLUS FORTES. CELA DOIT ETRE PRIS EN COMPTE DANS LA MODELISATION ET POURRAIT ETRE DU A LA PRESENCE DES GOUTTES. CELLES-CI EN S'EVAPORANT, JOUENT LE ROLE DE SOURCES DE COMBUSTIBLE PONCTUELLES, ALEATOIREMENT REPARTIES DANS L'ESPACE, CE QUI CREE PLUS DE FLUCTUATIONS A L'ECHELLE DE L'ESPACE INTERGOUTTE. CES FLUCTUATIONS SUPPLEMENTAIRES SONT PRISES EN COMPTE ICI PAR UN GROUPE DE TERMES LIE A L'EVAPORATION, DANS L'EQUATION DE LA VARIANCE DE LA VARIABLE DE MELANGE, QUI SONT FERMES EN CONSIDERANT LES EQUATIONS LOCALES D'UN MILIEU DIPHASIQUE. L'IMPORTANCE D'UNE NOUVELLE VARIABLE DECRIVANT L'ETAT DU MELANGE A LA SURFACE DES GOUTTES AU MOMENT DE L'EVAPORATION D'UNE PARTICULE FLUIDE A ETE MONTREE. UNE EQUATION FERMEE A ETE ECRITE POUR CETTE VARIABLE. CES DEUX NOUVELLES CARACTERISTIQUES PERMETTENT DE MIEUX DECRIRE L'ETAT DU MELANGE. POUR REPRESENTER LA COMBUSTION NOUS AVONS D'ABORD UTILISE UN MODELE QUI SUPPOSE QUE LA CHIMIE EST INFINIMENT RAPIDE. L'ETAT DU MILIEU THERMOCHIMIQUE EST ALORS COMPLETEMENT DEPENDANT DE L'EVAPORATION ET DU MELANGE SANS INFLUENCE DE LA CINETIQUE CHIMIQUE. LE MODELE MIL DE GONZALEZ ET BORGHI EST ENSUITE UTILISE POUR PRENDRE EN COMPTE CERTAINS EFFETS CHIMIQUES. IL SUPPOSE QUE LA CHIMIE EST INFINIMENT BRUSQUE, C'EST-A-DIRE A TEMPERATURE D'ACTIVATION TRES ELEVEE. CES DEUX MODELES ONT ETE TESTES POUR DEUX CONFIGURATIONS EXPERIMENTALES, UNE FLAMME DE TYPE JET ET UNE BOMBE SIMULANT LA COMBUSTION DANS LES MOTEURS DIESEL. LES TAUX DE FLUCTUATION TROUVES LORS DE CES SIMULATIONS SONT ASSEZ ELEVES ET METTENT EN AVANT LA NECESSITE DE BIEN ESTIMER LA DISSIPATION DES FLUCTUATIONS SCALAIRES. LES RESULTATS TROUVES EN UTILISANT CES MODELES SONT COMPARABLES A CEUX MESURES, NOTAMMENT DANS LE CAS DE LA BOMBE DE TYPE DIESEL, LE MODELE MIL PERMET DE RETROUVER UN TEMPS D'AUTO-ALLUMAGE ET UNE LONGUEUR DE LA FLAMME REALISTE.
Author: François-Xavier Demoulin (chercheur en physique, énergétique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le sujet de cette thèse est la modélisation de la combustion turbulente en milieu diphasique telle qu'elle a lieu par exemple dans les moteurs Diesel. Certaines expériences notamment celles présentées dans cette thèse suggèrent que quand le combustible nécessaire à la combustion est sous forme d'un nuage de gouttes, les fluctuations en particulier de richesse dans le milieu gazeux sont plus fortes. Cela doit être pris en compte dans la modélisation et pourrait être dû à la présence des gouttes. Celles-ci en s'évaporant, jouent le rôle de sources de combustible ponctuelles, aléatoirement réparties dans l'espace, ce qui crée plus de fluctuations à l'échelle de l'espace intergoutte. Ces fluctuations supplémentaires sont prises en compte ici par un groupe de termes lié à l'évaporation, dans l'équation de la variance de la variable de mélange, qui sont fermés en considérant les équations locales d'un milieu diphasique. L'importance d'une nouvelle variable décrivant l'état du mélange à la surface des gouttes au moment de l'évaporation d'une particule fluide a été montrée. Une équation fermée a été écrite pour cette variable. Ces deux nouvelles caractéristiques permettent de mieux décrire l'état du mélange. Pour représenter la combustion nous avons d'abord utilisé un modèle qui suppose que la chimie est infiniment rapide. L'état du milieu thermochimique est alors complètement dépendant de l'évaporation et du mélange sans influence de la cinétique chimique. Le modèle MIL de Gonzalez et Borghi est ensuite utilisé pour prendre en compte certains effets chimiques. Il suppose que la chimie est infiniment brusque, c'est-à-dire à température d'activation très élevée. Ces deux modèles ont été testés pour deux configurations expérimentales, une flamme de type jet et une bombe simulant la combustion dans les moteurs Diesel. Les taux de fluctuation trouvés lors de ces simulations sont assez élevés et mettent en avant la nécessité de bien estimer la dissipation des fluctuations scalaires. Les résultats trouvées en utilisant ces modèles sont comparables à ceux mesurés, notamment dans le cas de la bombe de type Diesel, le modèle MIL permet de retrouver un temps d'auto-allumage et une longueur de la flamme réaliste.
Author: Martin Hilka Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 260
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Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances et les modèles de la combustion turbulente prémélangée et en particulier de la formation des polluants dans les flammes turbulentes. Basée sur une approche de simulation numérique directe, bâtie autour du code NTMIX-CHEMKIN et en tenant compte de cinétiques chimiques complexes, nous avons étudié, d'une part, l'interaction d'une flamme de prémélange plane avec une paire de tourbillons, d'autre part, l'interaction flamme turbulence sur la base d'une turbulence homogène isotrope bidimensionnelle. Les résultats de ces études montrent l'inadéquation de certains schémas cinétiques pour la description de l'interaction flamme-tourbillons et donc, à fortiori, pour l'interaction flamme-turbulence. On trace également l'évolution de grandeurs caractéristiques telles que le taux de dégagement de chaleur et l'émission lumineuse au cours de l'interaction. L'étude de flammes turbulentes montre le rôle du monoxyde de carbone en tant qu'intermédiaire clé entre l'oxydation du combustible méthane et la formation du dioxyde de carbone. On observe également que la formation instantanée du monoxyde d'azote no dans une flamme turbulente suit la même dépendance de la température que celle d'une flamme laminaire et peut donc être modélisée en faisant intervenir la fonction de densité de probabilité de la température de l'écoulement turbulent. Par ailleurs, l'analyse statistique des flammes avec une cinétique chimique complexe montre qu'il n'est pas possible d'obtenir les propriétés représentatives d'une surface de flamme à partir d'un seul iso-contour d'une variable caractéristique. L'exploitation de résultats de simulation numérique directe pour ce type de modèles de combustion nécessite l'introduction de grandeurs globales, définies ici par intégration perpendiculaire au front de flamme.
Author: Rafik Ben Dakhlia Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 212
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Les travaux réalisés dans cette thèse visent à améliorer la compréhension de la combustion stationnaire et instationnaire de mélanges diphasiques en prenant en compte une cinétique chimique complexe et des propriétés de transport détaillées. On présente d’abord différentes modélisations des milieux polyphasiques réactifs pour établir à partir d’un cadre cinétique une approche originale « multirayons ». Ce cadre formel est d’abord utilisé pour étudier numériquement les flammes de diffusion à contre-courant diphasiques et les flammes prémélangées planes non-étirées. Ces travaux ont permis des études paramétriques montrant d’une part que la fonction donnant l’évolution du taux de dégagement de chaleur en fonction de l’étirement est linéaire pour des flammes diphasiques, alors qu’elle suit la forme de la racine carrée de l’étirement pour les flammes gazeuses. D’autre part, des études paramétriques de flammes prémélangées diphasiques où l’on a fait varier la richesse, la fraction liquide de combustible injecté et la taille des gouttes montrent les différences importantes entre les flammes diphasiques et les flammes gazeuses. L’analyse porte ensuite sur l’évaporation d’une goutte isolée en prenant en compte l’effet Soret. On étudie l’impact de la diffusion multiespèce sur les flammes diphasiques à contre-courant et on montre que la prise en compte de l’effet Soret est nécessaire pour prédire correctement des flammes laminaires diphasiques lorsque le rapport massique combustible/diluant est important. Des simulations numériques directes de mélanges turbulents avec brouillards de gouttelettes sont ensuite effectuées et permettent de montrer que les gouttes sont rapidement convectées dans les zones où la vorticité est minimale. Cette partie doit être vue comme une première contribution à la compréhension des phénomènes instationnaires en combustion turbulente diphasique. Enfin, la dernière partie de l’étude concerne la simulation numérique directe d’une flamme prémélangée de méthanol en prenant en compte une cinétique chimique complexe et des propriétés de transport détaillées. On donne notamment une première simulation de l’interaction entre une paire de tourbillons contra-rotatifs et la flamme.
Author: Stéphan Zurbach
Author: Stéphan Zurbach
Author: MARCEL.. OBOUNOU
Author: Weeded Ghedhaifi
Author: Jean-François Izard
Author: Renan Hilbert
Author: El Houssin Affad
Author: François-Xavier Demoulin
Author: François-Xavier Demoulin (chercheur en physique, énergétique).)
Author: Martin Hilka
Author: Rafik Ben Dakhlia