Modélisation numérique de la combustion dans les chambres de statoréacteurs PDF Download
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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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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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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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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: Olivier Colin Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 281
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Le but de cette thèse est de développer l'approche LES (Large Eddy Simulation) de la combustion turbulente prémélangée dans les statoréacteurs. Dans un premier temps, une étude bibliographique rappelle les caractéristiques essentielles des trois grandes approches de modélisation de la combustion turbulente en mécanique des fluides numérique (DNS, RANS et LES). Nous présentons ensuite le modèle TFLES (pour Thickened Flame LES) développé dans cette thèse : une partie de la combustion est directement résolue sur le maillage LES grâce à la méthode d'épaississement du front de flamme. La surface de flamme de sous-maille est alors modélisée par une fonction d'efficacité qui rend compte du plissement de la flamme non résolue induit par la turbulence de sous-maille. Un nouveau schéma numérique appelé TTGC, du troisième ordre en temps et espace, est développé et implanté dans le code de combustion hybride AVBP du CERFACS. Des tests simples en non réactif et réactif montrent que ce schéma donne de meilleurs résultats en calcul LES réactif que les schémas du deuxième ordre classiques, grâce à des erreurs dispersive et dissipative plus faibles. Ces développements numériques et de modélisation de la combustion sont d'abor validés sur une chambre de combustion de laboratoire. La comparaison calcul/expérience montre que l'approche TFLES permet de retrouver les battements de jets et l'acoustique de la chambre, non représentables dans les calculs RANS équivalents. Enfin, des calculs d'un statoréacteur effectués à différentes pressions montrent que le modèle TFLES permet de retrouver l'extinction de chambre observée expérimentalement à basse pression.
Author: YU.. MAO Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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L'ECOULEMENT DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR A PISTON A UNE INFLUENCE TRES GRANDE SUR LES PERFORMANCES DU MOTEUR. IL EST DONC IMPORTANT DE POUVOIR SIMULER NUMERIQUEMENT DE TELS ECOULEMENTS DE FACON A MIEUX COMPRENDRE LES PHENOMENES COMPLEXES DANS LA CHAMBRE. CE TRAVAIL A CONSISTE A DEVELOPPER UN CODE DE SIMULATION UTILISANT UNE METHODE D'ELEMENTS FINIS AVEC UN MAILLAGE DEFORMABLE. APRES AVOIR ETUDIE UNE METHODE GENERALE D'ELEMENTS FINIS AUTOADAPTATIVES, ON A DEDUIT UNE METHODE SIMPLIFIE D'ELEMENTS FINIS AVEC MAILLAGE MOBILE APPLICABLE AUX EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. ON A ENSUITE INTRODUIT ET COMPARE DES MODELES DE TURBULENCE DU TYPE K-EPSILON ADAPTES AUX ECOULEMENTS COMPRESSIBLES SUBSONIQUES. LE CODE A ENSUITE ETE UTILISE POUR LA SIMULATION DE L'ECOULEMENT TURBULENT DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR DIESEL PENDANT LA PHASE D'ADMISSION ET DE COMPRESSION. LES RESULTATS NUMERIQUES SONT EN BON ACCORD AVEC LES MESURES EXPERIMENTALES DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT SANS GIRATION. MAIS DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT AVEC GIRATION, LES VITESSES TANGENTIELLES PREDITES SONT SOUS EVALUEES, SANS DOUTE A CAUSE DU MODELE DE TURBULENCE UTILISE. EN CONCLUSION, LA METHODE NUMERIQUE DEVELOPPEE S'EST REVELEE TRES BIEN ADAPTEE A LA SIMULATION DE L'ECOULEMENT COMPLEXE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION
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Ce travail porte sur l'étude expérimentale et la simulation numérique de la combustion turbulente dans les foyers de statoréacteurs a prises d'air latérales. Dans un premier temps, le montage expérimental et les différents diagnostics utilises sont présentes. L'écoulement moyen dans le foyer, avec et sans combustion, est étudié a l'aide de mesures de vélocimétrie a fil chaud, d'anémométrie Laser-Doppler, de visualisation des champs d'émission spontanée CH et de tomographie laser. Les résultats montrent que l'écoulement non réactif est le siège de battements antisymétriques des jets. L'écoulement avec combustion est stable pour la plupart des régimes pauvres mais devient instable pour les régimes riches. Il se développe alors un battement symétrique des deux jets incidents. Le second chapitre présente les bases de l'aérothermochimie et les équations de la combustion turbulente. Les diagrammes de combustion turbulente prémélangée indiquent que la combustion dans ce type de configuration appartient au régime de flammelettes. Le modèle de combustion utilise pour la simulation numérique est un modèle de flammelettes particulier, le modèle de flamme cohérente. Ce modèle, détaillé dans une troisième partie, est constitué d'un sous-modèle global et d'un sous-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 et de la destruction des éléments de flamme. Le niveau local fournit les propriétés chimiques de cette surface. Une fermeture est proposée pour tous les termes inaccessibles directement, apparaissant dans l'équation de densité de surface de flamme. On s'intéresse en particulier aux effets de l'étirement, de la propagation laminaire de la flamme et de la courbure du front. Le programme de calcul utilise pour la validation de la modélisation décrite précédemment est présente au quatrième chapitre. L'influence de la méthode numérique utilisée ainsi que celle du maillage sont étudiées. Enfin, les développements du modèle de flamme cohérente sont valides sur la géométrie du statoréacteur à injection latérale. L'accord avec les données expérimentales s'avère globalement satisfaisant, même si de nombreux points restent encore à améliorer.
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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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L'ECOULEMENT TURBULENT A L'INTERIEUR D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION EST MODELISE PAR UN ASSEMBLAGE DE REACTEURS CHIMIQUES ELEMENTAIRES. A CETTE MODELISATION IL PEUT ETRE ASSOCIE UN PROGRAMME DE CINETIQUE CHIMIQUE PERMETTANT D'OBTENIR LES PERFORMANCES GLOBALES (RENDEMENT, PLAGES DE STABILITE) DE LA CHAMBRE ETUDIEE. CE DERNIER POINT N'EST PAS TRAITE ICI. DANS LA PREMIERE PARTIE, LES GRANDEURS MOYENNES DE L'ECOULEMENT SONT ISSUES DE LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES. L'UTILISATION D'UN TRACEUR NUMERIQUE ET LE DEVELOPPEMENT DE NOUVELLES TECHNIQUES D'IDENTIFICATION PERMETTENT UNE MODELISATION DE L'ECOULEMENT PAR UN ASSEMBLAGE DE REACTEURS ELEMENTAIRES. CETTE APPROCHE A ETE VALIDEE SUR TROIS GEOMETRIES DIFFERENTES: 2D PLANE, 2D AXISYMETRIQUE, ET 3D. DANS LA DEUXIEME PARTIE, L'ECOULEMENT EST CALCULE EN EFFECTUANT UNE SIMULATION DE TYPE L.E.S. LA GEOMETRIE ETUDIEE EST UNE MARCHE DESCENDANTE. LA MODELISATION OBTENUE EST COMPAREE AVEC CELLE ISSUE D'UN CALCUL STATIONNAIRE (PREMIERE PARTIE).
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La thèse consiste en une présentation de modélisations adaptées aux états supercritiques. La représentation thermodynamique d'un mélange de fluides réels est construite sur une équation d'état de type cubique. Cette représentation permet d'apprécier les effets d'attraction et de répulsion entre les molécules et conduit à la détermination des domaines de stabilités des fluides monophasiques. Les propriétés de transports des mélanges sont évaluées dans un formalisme général mêlant les effets stériques modifiant les coefficients de transport des fluides aux fortes densités à des effets liées à la thermodynamique et traduisant des diffusions préférentielles des espèces. Un cadre général pour les phénomènes chimiques est également présenté et l'influence des non-idéalités sur la cinétique des réactions est étudiée. La conjonction des modèles de transport moléculaire et chimique généraux permet de mettre en évidence les bonnes propriétés des équations aux dérivées partielles régissant l'évolution d'un mélange de fluides réels. Les modélisations présentées sont utilisées dans le cadre de simulations de complexité croissante représentant des phénomènes de combustion caractéristiques du fonctionnement d'un moteur-fusée cryogénique. On s'intéresse notamment aux flammes laminaires planes et étirées transcritiques. La modélisation thermodynamique des mélanges de fluides réels est ensuite adaptée à un code de calcul d'écoulement afin de procéder à la simulation numérique d'une chambre de combustion fonctionnant en régime supercritique dans son ensemble.
Author: Audrey Barthémémy
Author: Audrey Barthémémy
Author: Dominique Bissières
Author: Sébastien Reichstadt
Author: Olivier Colin
Author: YU.. MAO
Author: Xavier Montazel
Author: Antoine Bazin
Author: Régis Grohens
Author: 
Author: Lionel Matuszewski