Modélisation et simulation numérique d'une flamme turbulente non-prémélangée PDF Download
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Book Description
L'objectif de ce travail concerne l'étude numérique de l'influence de la pression et de la composition du mélange réactif sur une flamme turbulente non-prémélangée. L'outil de modélisation utilisée est le code Fluent. De nombreuses améliorations sont apportées aux sous modèles de ce code de calcul afin de l'adapter à notre problématique. Trois cas de flammes sont utilisés pour valider les résultas issus de la simulation numérique stationnaire, utilisant le modèle de turbulence k-e et la méthode flammelette pour la modélisation de la combustion. Les résultats obtenus avec le code Fluent modifiés, montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. L'effet de la pression est montré sur les caractéristiques de la flamme de méthane. Ensuite, l'influence simultanée de la pression et de la quantité d'hydrogène, ajouté au méthane dans une flamme turbulente de diffusion, a été mise en évidence.
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L'objectif de ce travail concerne l'étude numérique de l'influence de la pression et de la composition du mélange réactif sur une flamme turbulente non-prémélangée. L'outil de modélisation utilisée est le code Fluent. De nombreuses améliorations sont apportées aux sous modèles de ce code de calcul afin de l'adapter à notre problématique. Trois cas de flammes sont utilisés pour valider les résultas issus de la simulation numérique stationnaire, utilisant le modèle de turbulence k-e et la méthode flammelette pour la modélisation de la combustion. Les résultats obtenus avec le code Fluent modifiés, montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. L'effet de la pression est montré sur les caractéristiques de la flamme de méthane. Ensuite, l'influence simultanée de la pression et de la quantité d'hydrogène, ajouté au méthane dans une flamme turbulente de diffusion, a été mise en évidence.
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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: 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.
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Il a été démontré que l’ajout d’une certaine proportion d’hydrogène aux hydrocarbures permet d’améliorer les performances de la combustion (amélioration de la stabilité, réduction de la pollution, etc.). Il est important de bien identifier les caractéristiques de combustion de ces combustibles composés dans différentes conditions opératoires afin de pouvoir les utiliser efficacement dans les systèmes pratiques de production d’énergie. L’approche expérimentale demeure limitée à certaines conditions opératoires du fait des coûts que peut engendrer sa mise œuvre. En revanche, la simulation numérique peut constituer une solution plus appropriée compte tenu des avancées réalisées en matière de puissance de calcul et de modélisation. Cependant, il est nécessaire, au préalable, de s’assurer du bon comportement de l’outil numérique dans plusieurs cas tests. Dans ce contexte, l’effet de l’ajout de H2 sur la structure de la flamme et la formation des polluants est étudié dans ce travail. La relation reliant la longueur de la flamme, la perte de chaleur radiative, les émissions de CO2, de CO, de NO et de suie au pourcentage d’hydrogène dans le mélange combustible est caractérisée. Les validations ont porté sur plusieurs configurations de jets turbulents à masse volumique variable et de flammes de diffusion turbulente caractérisées par différents rapports de densité et de vitesses à l’injection. Les résultats de l’addition de H2 ont permis de noter une augmentation de l’efficacité du mélange, une élévation de la température maximale, une diminution des fractions massiques de CO et de CO2, une augmentation de la production de NO et une réduction des quantités de suies émises.
Author: Ronnie Knikker Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 232
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La simulation numérique est un outil important pour mieux comprendre et prédire les systèmes de combustion industriels, où interviennent des phénomènes physiques complexes à des échelles caractéristiques très variées. La simulation des grandes échelles (LES), où les grandes structures de l’écoulement sont calculées explicitement et l’effet des plus petites est modélisé, apparaît alors comme une approche particulièrement prometteuse. Elle nécessite Donc de disposer de modèles décrivant l’action des échelles non-résolues sur les échelles calculées. Le principal objectif de cette thèse est le développement et la validation de modèles de sous-mailles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée. L’étude expérimentale d’une flamme turbulente en V stabilisée derrière un obstacle a été réalisée au moyen de techniques de mesures avancées. Des visualisations du front de flamme instantané effectuées par fluorescence induite par laser ont permis l’analyse de la modélisation de sous-maille du taux de réaction. L’interaction de la flamme avec une onde acoustique a été étudiée car son mécanisme est considéré comme une étape importante dans le développement des instabilités de combustion. De larges structures cohérentes de la flamme ont été observées, ainsi que de fortes contributions du taux de réaction de sous-maille phénomènes qui doivent être reproduits par les modèles LES. Des analyses détaillées des données expérimentales ont conduit au développement d’un modèle basé sur la courbure de la flamme résolue. Ce modèle prédit une action importante du modèle de sous-maille dans les régions où le front de flamme résolu est fortement courbé, en accord avec les expériences. Un second modèle, basé sur le concept de similarité, désormais classique en modélisation pour la simulation des grandes échelles des écoulements non-réactifs, a également été proposé et testé. Un complément attractif à ce modèle a été développé par une extension originale de la théorie des fractals à là LES des écoulements réactifs. La modélisation fractale du taux de réaction de sous-maille est discutée et analysée à partir des données expérimentales. Une formulation dynamique de ce modèle a également été étudiée. Enfin, l’approche LES analysée dans ce travail a été implantées dans un code de calcul numérique existant et des premiers calculs de la configuration expérimentale ont été réalisés. Les aspects critiques de ces simulations sont discutés et les premiers résultats du modèle de similarité proposé sont comparés aux données expérimentales et à un modèle de sous-maille exitant.
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Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le domaine de la combustion turbulente prémélangée. Ils sont plus particulièrement dédiés à l’analyse et à la modélisation de la dynamique d’une flamme turbulente, envisagées ici dans le contexte du modèle de flamme cohérente (CFM). Une description détaillée de l’équation de transport pour la densité de surface de flamme est proposée. Le formalisme des fronts infiniment minces est étendu aux cas de flammes minces. Un soin particulier est apporté à la modélisation du terme de courbure moyen. Le caractère propagatif de ce terme, mis en évidence expérimentalement au cours de travaux précédents, n’est souvent pas pris en compte dans les modèles classiques utilisés usuellement. Par ailleurs, nous proposons également une analyse poussée de la vitesse de propagation de la flamme et de son incidence sur la modélisation des mécanismes de la courbure du front. Des termes supplémentaires sont introduits à cet effet dans le bilan de densité de surface de flamme et sont responsables d’un effet de « bending » observé sur la vitesse de flamme turbulente lorsque l’intensité des fluctuations de vitesse croit. Notre analyse aboutit également à la mise en évidence de lacunes voire d’incohérences dans les relations de fermeture du modèle CFM. En outre, le problème de dégénérescence laminaire, apparaissant dans le cas de flammes peu turbulentes, est identifié. Des solutions sont proposées et testées numériquement avec succès. Des flux turbulents non résolus, favorisant un transport de type contre-gradient, sont ainsi introduits dans les équations de la densité de surface de flamme et de la variable d’avancement. Par ailleurs, un modèle conditionnel, reposant sur une description diphasique gaz frais/gaz brûlés de l’écoulement, est proposé pour appréhender les mécanismes du transport turbulent. Ce modèle est capable de rendre compte de la diffusion à contre-gradient des espèces et du phénomène d’intermittence au sein de la zone de réaction. La validation des modèles et des approches développées au cours de cette thèse est effectuée par la simulation numérique sur des flammes monodimensionnelles et des flammes multidimensionnelles stabilisées.
Author: Metta Maria Boger Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 198
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Les simulations LES requièrent le développement et l'utilisation de modèles de sous-maille pour décrire l'effet des échelles turbulentes non-résolues. Au cours de notre étude, nous avons proposé une nouvelle formulation fondée sur l'équation de transport de la variable d'avancement c. Cette grandeur, bien définie, peut être facilement extraite de simulations numériques directes (tests « a priori ») ou mesurée expérimentalement (tests « a priori » pour développer des modèles ou « a posteriori » pour valider les simulations). L'équation de transport de la variable d'avancement est filtrée avec un filtre LES plus large que le maillage de calcul pour pouvoir résoudre numériquement la variable d'avancement filtrée c. Cette opération introduit des grandeurs non fermées qu'il faut modéliser. Toutes ces grandeurs ont été étudiées, à la fois analytiquement, à partir de simulations numériques directes et à partir de mesures expérimentales. Cette analyse nous a conduit à proposer une formulation basée sur la notion de densité de surface de flamme de sous-maille. Un point important concerne la capacité du modèle proposé à prédire la propagation d'une flamme laminaire plane. Il apparait alors que le flux convectif non résolu comporte une contribution laminaire qui ne peut être négligée. Un terme diffusif a également été incorporé à notre modèle pour gérer, dans les simulations pratiques, l'épaisseur de la flamme résolue. Finalement, notre modèle a été implanté dans le code AVBP. Tout d'abord, la capacité du modèle à dégénérer correctement vers les situations laminaires a été vérifiée par la simulation d'une flamme plane, modimensionnelle, stationnaire. Des simulations bi-dimensionnelles ont ensuite été conduites et ont montré un bon comportement du modèle, comparativement à l'approche basée sur l'épaississement artificiel de la flamme. Les données expérimentales quantitatives disponibles pour valider un tel modèle sont, malheureusement, encore peu nombreuses, mais les premiers tests s'avèrent très prometteurs. Il faut souligner que ces calculs LES ont permis de mettre en évidence l'apparition, dans certains cas, de transport turbulent de type contre-gradient, au moins à l'échelle résolue, malgré l'utilisation d'une modélisation de type gradient des flux non-résolus.
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Ces travaux sont principalement consacrés à l'étude de la combustion turbulente prémélangée et à sa modélisation. L'outil numérique qui a été choisi est la Simulation Numérique Directe (DNS). Tout d'abord, des flammes planes placées dans des turbulences homogènes et isotropes ont été simulées. Il a été montré que cette configuration ne permet pas d'obtenir de solutions statistiquement stationnaires, ce qui limite considérablement leur utilisation pour tester des modélisations qui ont pour objet de décrire le comportement des champs moyens. L'accent a alors porté sur la réalisation de DNS proches de configurations expérimentales. Des flammes en V se développant dans différentes turbulences de grille et stabilisées par un fil chaud ont été étudiées. A partir des données issues de la DNS, l'interaction flamme-turbulence a été analysée. Deux régimes de transport turbulent sont observés : un régime de type gradient et un régime de type contre-gradient. C'est donc une formulation au second ordre qui a été retenue pour analyser la modélisation de la combustion turbulente. La formulation au second ordre fait intervenir de nouveaux termes qui doivent être modélisés pour que le problème soit fermé. Ce sont les modèles basés sur l'approche conditionnelle développée par Bray, Moss et Libby qui sera retenue. Suivant ce formalisme, une évaluation des termes et des fermetures existantes a été effectuée. Puis de nouveaux modèles, plus précis, ont été proposés. Enfin, les travaux ont évolué vers l'étude de la densité de surface de flamme. Sa fermeture algébrique et les termes, qui apparaissent dans son équation de transport, ont été étudiés. A l'aide de ces résultats, une nouvelle fermeture pour le taux de dissipation scalaire est proposée.
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La simulation numérique de la combustion, qui constitue un outil puissant pour le développement de nombreuses applications industrielles, est rendue difficile par la grande diversité des échelles caractéristiques de la turbulence et par la finesse des zones de réaction. Les méthodes aux grandes échelles ou LES, qui sont étudiées dans ce travail, permettent de s’affranchir des limitations des simulations directes, tout en permettant, notamment au niveau des phénomènes instationnaires, une meilleure description de l’écoulement que la résolution des équations moyennées. Le principal problème de l’application des méthodes aux grandes échelles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée réside dans le fait que l’épaisseur de flamme est généralement très inférieure au pas du maillage du calcul. Afin de se défaire de ce problème de résolution numérique, deux méthodes ont été ici étudiées : l’épaississement artificiel du front de flamme (TP-LES), et l’approche filtrée, pour laquelle une taille de filtre supérieure au pas du maillage a été utilisée. Des expressions analytiques ou basés sur une bibliothèque de flammelettes permettent la fermeture de la partie laminaire de l’approche filtrée. Des tests simples de propagation de flamme attestent du bon contrôle de l’épaisseur de la flamme par l’approche TF-LES et par l’approche filtrée. Pour la propagation turbulente, trois modèles ont été étudiés au cours de ce travail : un modèle algébrique de type Bray-Moss-Libby, un modèle à une équation proposé pour le plissement, et un modèle à fonction d’efficacité avec une loi en puissance. Des résultats de simulations tridimensionnelles d’interaction entre une flamme prémélangée et une turbulence homogène isotrope temporellement décroissante montrent que les trois modèles sont relativement peu dépendants des paramètres numériques des calculs (résolution, facteur d’épaississement, taille du filtre). Par comparaison avec des données expérimentales et de simulation directe, le modèle de plissement de flamme qui suit une loi en puissance à la meilleure estimation de la vitesse de flamme turbulente globale. Pour ce modèle une procédure de détermination dynamique de l’exposant est également proposée et testée avec succès dans la même configuration d’interaction flamme/turbulence.
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Au cours de ce travail de thèse, nous étudions les interactions flamme turbulente prémélangée-paroi à l'aide d'analyses théoriques et numériques. En premier lieu, nous nous intéressons au régime laminaire. Tout d'abord, un rappel des études menées dans la littérature scientifique nous permet de caractériser les configurations d'interaction puis de valider l'emploi de schémas cinétiques simplifiés. Ensuite, des calculs d'intéraction laminaire sont effectués à l'aide d'une simulation numérique directe employant un schéma cinétique à une étape, puis sont comparés avec succès à une analyse asymptotique. Nous retrouvons les distances de coincement et les flux de chaleur pariétaux de la littérature. Les pertes thermiques réduisent la vitesse de consommation et mènent à l'extinction de la flamme lors du maximum du flux de chaleur pariétal. Cette extinction est suivie d'une phase de retrait de la flamme, quand le fuel diffuse dans la zone de réaction, qui explique la faible production d'imbrûlés de combustion lors de l'interaction. Dans une seconde partie, nous étudions le régime turbulent. Pour cela, deux types de simulations numériques directes sont menés : des calculs bi-dimensionnels complets et des calculs tri-dimentionnels à densité constante. Des résultats similaires sont obtenus : le comportement local de la flamme turbulente est assimilable à une interaction laminaire, et il existe des poches de gaz frais dans les gaz brûlés, associées à des zones d'extinction locales. Dans les calculs bi-dimensionnels les distances de coincement et les flux thermiques maximaux sont comparables aux valeurs laminaires. Cependant, dans les calculs tri-dimensionnels, la structure de la turbulence induit des distances plus petites et les flux plus élevés. Dans une dernière partie, nous élaborons et validons un modèle d'interaction flamme-paroi. Ce modèle s'appuie sur l'approche des flammelettes, où la flamme est décrite par sa vitesse de consommation et sa densité de surface. L'équation exacte de propagation de la densité de surface est prise comme point de départ et son bilan est équilibré avant, pendant et après l'interaction. Des sous-modèles sont proposés pour chacun des termes de l'équation et sont comparés individuellement aux résultats de la DNS. L'effet des pertes thermiques sur la vitesse de consommation est pris en compte dans l'expression du taux de réaction moyen, ainsi que dans les expressions des termes de transport et de destruction de surface. La diminution des échelles turbulentes près du mur affecte les expressions des termes d'étirements turbulent et de diffusion turbulente. Ensuite, ce modèle est dérivé en loi de paroi puis incorporé dans un code de calcul moyenné (Kiva2-MB). Il est validé dans un calcul de combustion moteur.
Author: Nabil Belaradh
Author: Nabil Belaradh
Author: Renan Hilbert
Author: Martin Hilka
Author: Fouzi Tabet
Author: Ronnie Knikker
Author: Guillaume Rymer
Author: Metta Maria Boger
Author: Raphae͏̈l Hauguel
Author: Fabrice Charlette
Author: Gilles Bruneaux