Mise en évidence expérimentale et modélisation des régimes de combustion diphasique présents dans les foyers aéronautiques PDF Download
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Author: Maxime Vicentini
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière.
Author: Maxime Vicentini
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Book Description
De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière.
Author: Denis Thibaut
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Languages : fr
Pages : 266
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Book Description
La combustion prémélangée pauvre constitue une voie prometteuse pour lutter contre la production d’oxydes d’azote dans les foyers aéronautiques. La mise en œuvre de cette technique comporte des risques d’auto-allumage et de remontée de flamme. Ces deux problèmes sont étudiés dans cette thèse. Les modes d’allumage probables sont caractérisés. Plus particulièrement nous présentons une étude numérique de l’auto-allumage de brouillards de gouttelettes. Différents modes d’allumage sont mis en évidence. Le modèle fournit les délais d’allumage de nuages de gouttes dans les conditions typiques de fonctionnement d’une chambre prémélangée. L’influence des contraintes aérodynamiques sur l’allumage de flammes de diffusion est également discutée. Les mécanismes de remontée de flamme liés aux instabilités de combustion sont étudiés numériquement. Une technique de simulation aux grandes échelles (LES) est couplée à une représentation de la combustion par épaississement de flamme. Plusieurs simulations numériques réactives sont discutées. La troisième et dernière partie de ce travail est consacrée à une étude de l’influence de la pression sur la production d’oxydes d’azote. Des calculs en chimie complexe et une étude expérimentale d’une flamme de diffusion étirée à contre-courant sous pression sont présentés.
Author: Xavier Montazel
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Languages : fr
Pages : 271
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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.
Author: Bernard Zamuner
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Languages : fr
Pages : 352
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Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches sur la combustion diphasique dans les chambres propulsives des moteurs aéronautiques et spaciaux. Tout d'abord, une description des techniques d'investigation existantes pour caractériser la phase liquide dispersée dans un environnement réactif et une revue des différentes approches utilisées pour la modélisation des écoulements polyphasiques sont effectuées. Le montage expérimental est ensuite présenté dans la deuxième partie. Inspire par les systèmes a ergols liquides stockables, il s'agit d'un injecteur coaxial avec, au centre, un jet liquide de monométhylhydrazine entouré par un jet annulaire d'air enrichi en oxygène. Une étude détaillée des caractéristiques du brouillard est réalisée en fonctionnement isotherme grâce à un analyseur de particules phase-Doppler. La troisième partie est consacrée au développement et à la validation d'un code de calcul pour la simulation de l'écoulement diphasique turbulent isotherme. Une formulation Eulérienne est utilisée pour les deux phases. La dernière partie décrit l'étude du brouillard en combustion. Tout d'abord des visualisations de la flamme diphasique par tomographie laser révèlent l'existence de deux modes de flamme en fonction du rapport des vitesses de sortie. Une méthode de granulométrie par numérisation et traitement d'images de films est proposée. Un modèle de combustion de brouillard est ensuite utilise pour prédire l'écoulement réactif. La comparaison des diamètres et des concentrations calculées avec les données disponibles s'avère encourageante. La simulation numérique permet enfin de proposer une explication à l'existence de régimes de combustion différents.
Author: Cécile Pichard
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Languages : fr
Pages : 333
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Cette étude concerne la caractérisation expérimentale de jets et de flammes diphasiques d'hydrocarbures, dans le cadre des recherches sur les systèmes de combustion 3P : prévaporisés, prémélangés et pauvres. La configuration expérimentale utilisée est constituée d'un injecteur assisté par air, d'un tube de prévaporisation et de prémélange transparent et d'un brûleur cylindrique où la flamme est stabilisée par une flamme pilote. Nous avons fait varier de nombreux paramètres durant ce travail à pression atmosphérique : la température de l'air principal, la richesse globale du mélange réactif, la granulométrie initiale du jet diphasique et le combustible liquide utilisé (n-heptane et n-décane). L'anémométrie phase Doppler a été utilisée pour déterminer les caractéristiques de l'écoulement diphasique (taille, vitesse, densité et flux volumique des gouttes) aussi bien dans le jet diphasique que dans la flamme. À partir de ces mesures, nous avons déduit les distributions de tailles de goutte, le degré de prévaporisation du mélange et le taux de vaporisation local. L'imagerie laser par effet Mie nous a permis de visualiser la répartition du combustible liquide dans l'écoulement. Nous en avons déduit la fraction volumique de combustible liquide dans le jet diphasique et dans la flamme. Les résultats indiquent une augmentation du degré de prévaporisation lorsque la température de l'air de prémélange augmente, lorsque la richesse globale du mélange diminue, lorsque le débit d'air d'atomisation augmente et lorsque le combustible liquide est plus volatile. Ces résultats ont pu être expliqués en fonction d'un seul paramètre à savoir le rapport entre le temps de séjour des gouttes dans le tube de prévaporisation et le temps caractéristique de vaporisation de ces gouttes. L'influence du degré de prévaporisation sur les caractéristiques globales des flammes diphasiques étudiées a aussi été mise en évidence.
Author: Jean-Philippe Legier
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Languages : fr
Pages : 207
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Le développement des nouvelles chambres de combustion moins polluantes, présentées en première partie de ce mémoire, passe par la compréhension de phénomènes instationnaires tels que les instabilités de combustion. La simulation des grandes structures instationnaires de la turbulence (LES), associée à des modèles de combustion permet l'étude de ces phénomènes. La deuxième partie de ce mémoire présente le modèle de flamme épaissie dynamique et le schéma cinétique PEA, développés pour prendre en compte les spécificités de la réaction et de l'écoulement dans les foyers aéronautiques : zones de mélange, flammes de diffusion et de prémélange à richesse variable. Ces modèles sont implantés dans le code parallèle AVBP présenté au chapitre 3. Ces modèles ont été validés par l'étude d'un brûleur propane/air bidimensionnel, installé au laboratoire EM2C (Châtenay Malabry). Les comparaisons réalisées avec des résultats expérimentaux portent sur des champs moyens, et sur l'évaluation de la réponse instationnaire de la flamme soumise à des perturbations. Ceci est réalisé en déterminant le facteur d'amplification n et le temps de retard T de la réponse de la flamme. La mesure de n et T a été réalisée expérimentalement et numériquement avec la même procédure, ce qui constitue une originalité et un point fort de ce travail. Une comparaison directe des champs de vitesse et taux de réaction instantanés a aussi été réalisée. Ces comparaisons valident l'utilisation de la LES et du modèle de flamme épaissie dynamique pour l'étude et la prévision des instabilités de combustion. Enfin, la simulation d'une configuration industrielles (l'injecteur LPP BE01) montre que les modèles de combustion et de LES sont applicables à une géométrie complexe. Les résultats retrouvent les deux régimes de stabilisation de la flamme observés expérimentalement. L'étude d'un régime transitoire analogue au phénomène de Flash-Back a été réalisée.
Author: Karine Cannevière
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Languages : fr
Pages : 207
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Book Description
Ce travail est consacré à l'étude de la propagation et de la structure des flammes dans le cas d'écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, un code de DNS est utilisé. Les équations et le modèle chimique employés sont présentés. Ensuite, une étude des flammes sprays laminaires est réalisée et une étude analytique sur la dynamique d'évaporation des gouttes est proposée. L'influence sur le mode de combustion du rapport entre les temps de préchauffage de la goutte et d'évaporation est mise en évidence. La simulation de la propagation d'une flamme au sein d'un nuage de gouttes est réalisée et un comportement de flamme pulsée est abordée. L'étude des flammes sprays turbulentes fait l'objet de la dernière étude. Des DNS de l'injection de sprays monodisperses sont effectuées en variant les paramètres d'injection. La base de données obtenue a permis de décrire les régimes de flamme locaux et globaux apparaissant dans la combustion de sprays. Enfin, un diagramme de combustion est développé.
Author: Philippe Versaevel
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Languages : fr
Pages : 244
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Book Description
Ce travail s’inscrit dans le cadre de recherches visant à améliorer les modèles de combustion turbulente diphasique. L’étude a consisté à analyser finement d’un point de vue théorique et expérimental la structure de deux types de flammes monodimensionnelles diphasiques laminaires : la flamme de prémélange non-étirée et la flamme de diffusion à contre-courant. Pour ces deux types de flammes, nous nous sommes attachés dans un premier à vérifier la validité de notre modélisation sur les flammes monophasiques. Grâce à une méthode originale de remaillage dynamique, des calculs en chimie complexe ont pu être réalisés sur les deux flammes diphasiques étudiées. En ce qui concerne les flammes de prémélange diphasiques, les courbes donnant la vitesse de flamme en fonction de la richesse pour différents diamètres de gouttes ont pu être obtenues numériquement, ainsi que l’extinction des flammes de prémélange riches. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les mesures disponibles. En ce qui concerne les flammes de diffusion monophasiques, de nombreuses mesures d’extinction ont été réalisées pour différentes pressions et richesses pour valider notre code. Enfin, les limites d’extinction des flammes de diffusion diphasiques ont été obtenues numériquement en chimie complexe. Les calculs ne sont pas en bon accord avec les mesures. L’origine de ce désaccord semble provenir de la modélisation de la trainée des gouttes. Cette hypothèse est renforcée par des mesures de Vélocimétrie Laser Doppler de phase.
Author: Matthieu Boileau
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Languages : fr
Pages : 348
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Book Description
L'allumage ou le rallumage d'une turbine à gaz dans une atmosphère froide et raréfiée est un problème crucial pour les constructeurs aéronautiques. Le but de cette thèse est de développer une méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier la combustion et l'allumage dans les géométries réalistes de foyers aéronautiques. L'approche théorique instationnaire prend en compte les caractéristiques essentielles de ces phénomènes en réalisant le couplage entre les modèles de turbulence, de dispersion du spray de carburant et de combustion. L'outil LES est validé dans des cas académiques puis appliqué à une configuration réaliste de foyer d'hélicoptère comportant 18 secteurs identiques. Le régime stationnaire et la séquence d'allumage d'un secteur isolé sont d'abord analysés. Grâce au calcul massivement parallèle, l'étude est ensuite étendue à l'allumage complet des 18 secteurs, apportant un éclairage nouveau sur la physique du phénomène.
Author: Eric Masson
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Languages : fr
Pages : 262
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Book Description
La combustion sans flamme est un mode de combustion innovant dans le domaine des économies d'énergie et de la réduction des émissions polluantes qui reste toutefois encore peu étudié. L'objectif de cette étude est de caractériser ces mécanismes par une étude expérimentale. La première étape de cette étude a été réalisée sur une installation d'essais semi-industrielle. Différents moyens de mesure dans la flamme ont été utilisés pour caractériser le mode d'accrochage de la flamme, la structure des zones de réactives, les recirculations des produits de combustion et leur impact sur la combustion et les émissions polluantes. Parallèlement, une installation d'essais de laboratoire a été mise en place. La caractéristique essentielle de cette installation est la possibilité de changer une des dimensions de la chambre tout en gardant identiques les conditions opératoires. Différents paramètres (puissance, température de l'air, température des parois, taux d'aération, confinement de la flamme) sont modifiés afin de caractériser leur impact sur le régime de combustion sans flamme. Les résultats montrent que la flamme peut être divisée en deux zones. Alors que la réaction principale se situe où le jet d'air et de gaz naturel se rejoignent, une première zone réactive est aussi observée dans la zone de recirculation interne, assurant la stabilisation de la flamme. La recirculation des produits de combustion est mise en évidence et quantifiée à partir des résultats des mesures dans la flamme. Entraînées par l'écoulement proncipal, ces recirculations induisent une importante dilution des zones réactives, où la concentration en CO et la température restent à de faibles niveaux. Les oxydes d'azote sont principalement produits par voie thermiques, mais restent très faibles. Par ailleurs, un mécanisme de réduction dans la flamme des oxydes d'azote présents dans les recirculations peut être observé. L'étude paramétrique montre que si la puissance n'a pas d'influence sur le régime de combustion, la combustion sans flamme est possible avec de l'air non préchauffé. Par ailleurs, une augmentation du taux d'aération réduit la dilution de la zone réactive par les inertes. Pour de fortes augmentations du taux d'aération, on peut observer l'apparition d'une troisième zone de réaction à l'extérieur des jets de gaz naturel ; on quitte alors le régime de combustion sans flamme.
