Analyse du modèle de flamme cohérente fondée sur l'étude expérimentale d'une flamme turbulente prémélangée stationnaire PDF Download
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Book Description
Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la modélisation de la combustion turbulente prémélangée, et plus particulièrement dans le régime dit des flammelettes. Des modèles de combustion représentatifs de ce régime et plus particulièrement des modèles à densité de surface de flamme sont présentés puis confrontés à l'expérience. L'étude expérimentale a porté sur l'étude d'une flamme turbulente de prémélange quasi bidimensionnelle stabilisée par un barreau. Cette étude comprend des mesures de vitesse de l'écoulement par vélocimétrie laser Doppler, des mesures de l'émission spontanée du radical CH et des mesures de densité de surface par tomographie laser. Cette étude expérimentale met en évidence quelques points faibles des modèles à densité de surface de flamme qu'il soit à fermeture algébrique ou à équation de transport. Dans la suite, des corrections et des modifications sont apportées à l'un de ces modèles, le modèle de flamme cohérente, et testées numériquement sur la configuration étudiée expérimentalement et des configurations proches. Des tests numériques effectués sur des géométries proches des moteurs automobiles montrent que les modifications introduites ne sont pas aussi utiles dans le domaine de fonctionnement de ces foyers, mais que d'autres aménagement du modèle de flamme cohérente s'imposent, pour que ce modèle puisse être adaptée a la description spécifique de la croissance d'un noyau de flamme turbulent dans un milieu prémélangé hétérogène. Finalement, l'aptitude du modèle de flamme cohérente à représenter la combustion turbulente a été démontrée même si des développements sont et seront nécessaires pour affiner les descriptions.
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Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la modélisation de la combustion turbulente prémélangée, et plus particulièrement dans le régime dit des flammelettes. Des modèles de combustion représentatifs de ce régime et plus particulièrement des modèles à densité de surface de flamme sont présentés puis confrontés à l'expérience. L'étude expérimentale a porté sur l'étude d'une flamme turbulente de prémélange quasi bidimensionnelle stabilisée par un barreau. Cette étude comprend des mesures de vitesse de l'écoulement par vélocimétrie laser Doppler, des mesures de l'émission spontanée du radical CH et des mesures de densité de surface par tomographie laser. Cette étude expérimentale met en évidence quelques points faibles des modèles à densité de surface de flamme qu'il soit à fermeture algébrique ou à équation de transport. Dans la suite, des corrections et des modifications sont apportées à l'un de ces modèles, le modèle de flamme cohérente, et testées numériquement sur la configuration étudiée expérimentalement et des configurations proches. Des tests numériques effectués sur des géométries proches des moteurs automobiles montrent que les modifications introduites ne sont pas aussi utiles dans le domaine de fonctionnement de ces foyers, mais que d'autres aménagement du modèle de flamme cohérente s'imposent, pour que ce modèle puisse être adaptée a la description spécifique de la croissance d'un noyau de flamme turbulent dans un milieu prémélangé hétérogène. Finalement, l'aptitude du modèle de flamme cohérente à représenter la combustion turbulente a été démontrée même si des développements sont et seront nécessaires pour affiner les descriptions.
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Les modèles de combustion turbulente prémélangée basés sur le concept de flamelettes étudiés ici, en découplant la turbulence et la combustion, analysent la flamme comme une fine surface plissée et connectée par l'écoulement turbulent. Le taux de réaction par unité de volume est écrit comme le produit du taux de réaction par unité de surface de flamme (issu des calculs de structure de flamme laminaire) par la densité de surface de flamme (surface de flamme disponible par unité de volume). La densité de surface de flamme peut être obtenue soit par une expression algébrique à partir des caractéristiques géométriques de la flamme, soit à l'aide d'une équation exacte de transport. Certains termes de cette équation ne sont pas fermes et nécessitent une modélisation. L'essentiel de cette thèse est consacré à l'analyse expérimentale des modèles de densité de surface de flamme. L'étude a été menée sur une flamme de prémélange propane/air stabilisée par un barreau dans une conduite rectangulaire. Plusieurs diagnostics ont été mis en œuvre pour cette étude. L'imagerie d'émission spontanée C H fournit l'image de la zone de réaction. L'analyse de gaz donne la composition moyenne des gaz avec une assez bonne précision. La tomographie laser produit les caractéristiques géométriques instantanées puis moyennes du front de flamme. Enfin, la vélocimétrie laser Doppler détermine le champ de vitesse moyen et ses fluctuations. L'utilisation de toutes ces techniques pour différentes conditions opératoires nous a permis de constituer une base de données expérimentale complète et de préciser quelques caractéristiques de l'écoulement pour valider et améliorer certains termes des principaux modèles de flammelettes.
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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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.
Author: Romain Fragner Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Le présent travail est une étude expérimentale sur l'interaction entre flamme et turbulence. L'effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l'aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l'étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l'effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l'effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l'impact majeur de l'échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude.
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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.
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L'influence de l'aérodynamique du sillage d'un obstacle sur les mécanismes de stabilisation de la flamme non prémélangée a été examiné sur une configuration expérimentale non confinée de deux écoulements concentriques (combustible et air), dans le cas de deux stabilisateurs simplifiés (disque et vitesses (Anémométrie Dopler Laser). Les champs moyens de température et concentration ont été obtenus avec un thermocouple à fil fin et une sonde de prélèvement reliée à un analyseur de gaz. L'analyse du développement et de la structure de la flamme a mis en évidence trois régimes de stabilisation principaux (développement, anneau, renfermement), deux régimes de transition et un domaine d'extinction. Une étude détaillée a montré que l'anneau est une flamme triple stabilisée à l'interface de deux écoulements : un prémélange de combustible, d'air et de produits de combustion et un écoulement d'air.
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Ce travail se place dans le cadre de la simulation aux grandes échelles (les) de la combustion turbulente. Le but des simulations les est de résoudre les structures de grande taille et de modéliser les effets des petites structures par des modèles de sous-maille. L'intérêt de ces méthodes est de décrire les phénomènes instationnaires, fortement turbulents, notamment dans des configurations géométriques complexes. Elles constituent à cet égard un outil attractif pour la simulation de la combustion turbulente dans des configurations industrielles. Cependant représenter la combustion dans ce contexte pose des problèmes particuliers devant être résolus par des méthodes spécifiques. Dans ce mémoire, nous étudions notamment une description cinématique de la combustion pour laquelle il convient d'estimer les effets de la turbulence sur la vitesse de flamme. L'analyse de la géométrie de la flamme peut nous apporter à cet effet des informations utiles. Nous avons donc mené une étude expérimentale sur une flamme turbulente prémelangée afin de caractériser, par visualisation tomographique, la géométrie du front de flamme. Les mesures du plissement de la flamme nous ont permis de proposer un modèle de sous-maille pour la vitesse de flamme. Des mesures de vélocimétrie laser ont par ailleurs apporté des informations complémentaires sur la dynamique de la flamme. La méthode basée sur la représentation cinématique du front de flamme a été ensuite développée de façon détaillée. Le front de flamme y est défini à partir d'une variable de progrès appelée G et son évolution est exprimée par une équation pour G. Le couplage entre la combustion et l'écoulement est assure par un modèle spécifique pour le dégagement de chaleur que nous avons proposé et étudié. Dans une première étape de validation nous avons comparé cette méthode avec la simulation directe dans des configurations bidimensionnelles spatialement résolues. Ensuite, le modèle est utilisé dans une simulation les reactive 3d dans le cas d'un écoulement fortement turbulente (RE = 50.000). Finalement, une alternative aux calculs les traditionnels est présentée. Elle s'appuie sur les algorithmes FCT (flux corrected transport) dont les propriétés numériques dissipatives ont des effets comparables à la dissipation de sous-maille introduite dans les simulations aux grandes échelles. Nous avons étudié leur sensibilité à la résolution numérique dans un calcul de couche de mélange réactivé. Lorsque la résolution diminue, le mélange est toujours correctement représente mais cette méthode ne permet pas une bonne description de l'allumage de la couche de mélange ; ceci montre également la nécessité de représenter la combustion non-prémelangée par des modèles spécifiques aux méthodes LES.
Author: Eric Maistret Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 405
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Ce travail porte sur la représentation et la simulation numérique de la combustion turbulente par le modèle de flamme cohérente, et son application aux foyers aéronautiques. Apres avoir présenté les bases de l'aérothermochimie et les équations de la combustion turbulente, nous montrons que les diagrammes de combustion turbulente prémélangée indiquent que, dans les foyers aéronautiques, la combustion appartient probablement au régime de flammelettes. Le modèle de flamme cohérente est un modèle de flammelettes particulier, constitue d'un modèle global et d'un modèle local. Le niveau global comprend principalement une équation de transport pour la surface de flamme, qui représente les mécanismes physiques responsables de la convection, de l'accumulation, de la destruction des éléments de flamme. Le niveau local fournit les propriétés chimiques de cette surface, par l'étude des flammelettes laminaires étirées. Un certain nombre de développements du modèle sont décrits: équations pour les fluctuations de surface de flamme, prise en compte d'une richesse inhomogène, modèles mixtes prémélange-diffusion, calcul du monoxyde de carbone. L'accord avec les observations expérimentales dans des configurations simples est bon. La possibilité d'appliquer le modèle à des configurations industrielles tridimensionnelles complexes (chambre principale et foyer de rechauffe) et aux phénomènes instationnaires (allumage) est démontrée. Nous présenterons ensuite la méthode numérique utilisée pour résoudre le système d'équations, et étudions son influence, ainsi que celle du maillage, sur la solution obtenue. Enfin, une étude expérimentale de flammes stabilisées dans un conduit par deux types d'obstacles (stabilisateur en v et barreau cylindrique) montre l'effet de la richesse et du débit sur la structure de la zone de réaction, visualisée par spectroscopie d'émission de radicaux libres.
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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.
Author: Jean-Marc Duclos
Author: Jean-Marc Duclos
Author: Claire Martel
Author: Ronnie Knikker
Author: Nabil Belaradh
Author: Romain Fragner
Author: Renan Hilbert
Author: Isabelle Esquiva-Dano
Author: JULIEN.. PIANA
Author: Eric Maistret
Author: Raphae͏̈l Hauguel