Modélisation du comportement de la phase liquide dans les chambres de combustion de statoréacteurs PDF Download
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Book Description
La modélisation et la simulation numérique du comportement de la phase liquide dans les chambres de combustion de statoréacteurs constituent un enjeu industriel majeur pour le développement des missiles modernes. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la précision des résultats de simulation par la prise en compte de la phase liquide. Deux approches complémentaires ont été abordées : une approche locale, correspondant à une étude détaillée de la chambre, et une approche globale, reposant sur l'identification de zones macroscopiques de l'écoulement. Dans le cadre de l'approche locale, la méthode Euler-Lagrange a été utilisée. Des modèles physiques détaillés correspondants aux phénomènes prépondérants relatifs à la phase liquide ont été développés et validés. La dispersion turbulente, l'évaporation, et l'interaction goutte-paroi ont été étudiés. Une attention particulière a été portée à la prise en compte des interactions entre phases, l'influence des gouttes sur l'écoulement gazeux pouvant être très importante. Les résultats qui ont été obtenus sur les différentes configurations étudiées ont montré la capacité du code de simulation à calculer de manière réaliste un écoulement diphasique. De plus, son utilisation dans un contexte industriel a donné des résultats très encourageants. L'approche globale a été abordée en fin de thèse, elle consiste à modéliser l'écoulement réactif par un assemblage de réacteurs chimiques élémentaires, la combustion étant ensuite calculée à l'aide d'une cinétique chimique globale. La détermination de l'assemblage est une des étapes principales. Une analyse poussée des différentes évolutions nécessaires pour améliorer cette étape (et son automatisation) a été réalisée.
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La modélisation et la simulation numérique du comportement de la phase liquide dans les chambres de combustion de statoréacteurs constituent un enjeu industriel majeur pour le développement des missiles modernes. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la précision des résultats de simulation par la prise en compte de la phase liquide. Deux approches complémentaires ont été abordées : une approche locale, correspondant à une étude détaillée de la chambre, et une approche globale, reposant sur l'identification de zones macroscopiques de l'écoulement. Dans le cadre de l'approche locale, la méthode Euler-Lagrange a été utilisée. Des modèles physiques détaillés correspondants aux phénomènes prépondérants relatifs à la phase liquide ont été développés et validés. La dispersion turbulente, l'évaporation, et l'interaction goutte-paroi ont été étudiés. Une attention particulière a été portée à la prise en compte des interactions entre phases, l'influence des gouttes sur l'écoulement gazeux pouvant être très importante. Les résultats qui ont été obtenus sur les différentes configurations étudiées ont montré la capacité du code de simulation à calculer de manière réaliste un écoulement diphasique. De plus, son utilisation dans un contexte industriel a donné des résultats très encourageants. L'approche globale a été abordée en fin de thèse, elle consiste à modéliser l'écoulement réactif par un assemblage de réacteurs chimiques élémentaires, la combustion étant ensuite calculée à l'aide d'une cinétique chimique globale. La détermination de l'assemblage est une des étapes principales. Une analyse poussée des différentes évolutions nécessaires pour améliorer cette étape (et son automatisation) a été réalisée.
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Ce projet de recherche concerne la modélisation de la combustion pour les statoréacteurs à injection liquide. Une analyse d'échelles montre que la combustion s'effectue au travers de surfaces et peut être modélisée à l'aide d'une densité de surface de flamme (modèle de flamme cohérente). A partir de calculs en chimie complexe et transport détaillé, une base de données de flammes prémélangées est établie pour le méthane, propane, et n-décane. Des développements sont par la suite effectués pour tenir compte de la nature confinée des configurations. Pour les flammes de diffusion, une première modélisation de l'interaction avec les parois est proposée à partir de calculs en configuration à contre-courant. Enfin, un nouveau modèle de combustion turbulente étagée, le CFM-S, est développé pour le régime partiellement prémélangé. L'application de ces différents travaux sur une configuration réelle conduit à des résultats satisfaisants par comparaison aux données expérimentales.
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Une méthode originale, basée sur la création d'un réseau de réacteurs chimiques élémentaires, est mise au point et utilisée pour l'étude des performances globales de chambres de combustion. Cette méthode entièrement numérique est dérivée de techniques expérimentales en hydraulique, aérodynamique et écoulements diphasiques développées à l'ONERA/DMAE. Cette approche, appelée approche globale, est parfaitement adaptée à la prédiction rapide des rendements de combustion et des plages de stabilité et peut intervenir lors d'études d'avant-projet afin de sélectionner les chambres de combustion. En premier, la méthodologie est présentée, puis les différents outils numériques sont proposés. Enfin, la méthode est validée sur deux types différents de chambres de combustion de statoréacteur. Plus précisément, cette approche numérique est une combinaison de quatre outils. En premier lieu, un calcul Navier-Stokes non réactif est réalisé. L'étape suivante est un calcul lagrangien de la phase liquide (pour le carburant) en one-way coupling. Les caractéristiques des réacteurs élémentaires et leur connexion sont ensuite déterminées à l'aide d'un code de calcul spécifique ZALCART, qui résout l'équation de transport d'un traceur passif. Un important effort pour le développement de ce code est réalisé, surtout au niveau de l'utilisation en multidomaine. Enfin, les rendements de combustion sont obtenus avec un modèle de cinétique chimique pour toutes les richesses injectées. L'ensemble de cette approche est utilisé avec succès sur plusieurs configurations tridimensionnelles et multidomaines. L'importance de la précision à donner à l'injection et au suivi du carburant liquide est mise en évidence.
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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: D Brian Spalding Publisher: Elsevier ISBN: 1483188175 Category : Reference Languages : en Pages : 393
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Genmix: A General Computer Program for Two-dimensional Parabolic Phenomena explains a computer program called GENMIX. The main intention of the program is to be used as a tool of instructions. The name of the program is a mixture of two considerations: its generality and its concern for mixing processes. The book aims to help the potential user to understand the physical and mathematical basis of the topic computer program. It is also the aim of the book to make the program applicable to practical problems. The book is arranged in such a way as to parallel a course of lectures and associated computer-workshop sessions wherein the student is allowed to do some elementary computations as soon as he has gained some knowledge of the method. The book contains the mathematical, physical, and computer-coding aspects of the program. Concepts such as the boundary layer, two-dimensional, and steady- flow are defined and discussed in depth. The text will be a useful tool for computer instructors and students.
Author: Dominique Bissières
Author: Dominique Bissières
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Author: D Brian Spalding
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Author: A. D. Gosman
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