Représentation et simulation de la combustion turbulente par le modèle de flamme cohérente PDF Download
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Author: Eric Maistret
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 405
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Book Description
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.
Author: Eric Maistret
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Category :
Languages : fr
Pages : 405
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Book Description
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.
Author: Weeded Ghedhaifi
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 188
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Book Description
Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire EM2C du CNRS et de l'ECP et l'industriel verrier Saint-Gobain. Nous nous sommes intéressés à la modélisation de la combustion turbulente et des émissions de polluants. Pour cela, nous avons développé un modèle de combustion turbulente basé sur le couplage entre le modèle de flamme cohérente CFM et la chimie détaillée. Le choix du modèle CFM repose sur sa capacité à décrire l'interaction entre le front de flamme et les structures turbulentes de l'écoulement dans lequel il évolue. Nous avons réalisé son couplage avec la chimie détaillée en utilisant des méthodes de tabulation de la cinétique chimique. Nous avons, ensuite, développé un modèle de traitement d'oxydes d'azote et plus particulièrement de NO thermique puisque les modèles existants se basent sur des hypothèses grossières qui ne permettent pas d'estimer les NOx produits de manière précise. Nous avons alors proposé une modélisation de la formation des NOx basée sur la chimie détaillée limitant ainsi les hypothèses requises. Pour tester ces modèles, nous avons réalisé des simulations numériques sur deux configurations 2D de laboratoire et une configuration 3D d'un brûleur de four verrier et ce sur les trois modes de combustion : prémélangée, partiellement prémélangée et non prémélangée. Les résultats obtenus sont très prometteurs et ont montré la capacité du modèle développé à décrire la combustion turbulente en y intégrant la chimie détaillée.De plus, le modèle de NOx a montré un comportement cohérent en fonction des principaux paramètres du problème. Il reste, toutefois, à être validé par des données expérimentales.
Author: Tarek Echekki
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 9400704127
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 496
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Book Description
Turbulent combustion sits at the interface of two important nonlinear, multiscale phenomena: chemistry and turbulence. Its study is extremely timely in view of the need to develop new combustion technologies in order to address challenges associated with climate change, energy source uncertainty, and air pollution. Despite the fact that modeling of turbulent combustion is a subject that has been researched for a number of years, its complexity implies that key issues are still eluding, and a theoretical description that is accurate enough to make turbulent combustion models rigorous and quantitative for industrial use is still lacking. In this book, prominent experts review most of the available approaches in modeling turbulent combustion, with particular focus on the exploding increase in computational resources that has allowed the simulation of increasingly detailed phenomena. The relevant algorithms are presented, the theoretical methods are explained, and various application examples are given. The book is intended for a relatively broad audience, including seasoned researchers and graduate students in engineering, applied mathematics and computational science, engine designers and computational fluid dynamics (CFD) practitioners, scientists at funding agencies, and anyone wishing to understand the state-of-the-art and the future directions of this scientifically challenging and practically important field.
Author: Xavier Montazel
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 271
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Book Description
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: Ronnie Knikker
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 232
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Book Description
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.
Author: Santanu De
Publisher: Springer
ISBN: 9811074100
Category : Science
Languages : en
Pages : 663
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Book Description
This book presents a comprehensive review of state-of-the-art models for turbulent combustion, with special emphasis on the theory, development and applications of combustion models in practical combustion systems. It simplifies the complex multi-scale and nonlinear interaction between chemistry and turbulence to allow a broader audience to understand the modeling and numerical simulations of turbulent combustion, which remains at the forefront of research due to its industrial relevance. Further, the book provides a holistic view by covering a diverse range of basic and advanced topics—from the fundamentals of turbulence–chemistry interactions, role of high-performance computing in combustion simulations, and optimization and reduction techniques for chemical kinetics, to state-of-the-art modeling strategies for turbulent premixed and nonpremixed combustion and their applications in engineering contexts.
Author: Bernard Larrouturou
Publisher: World Scientific
ISBN: 9789810203801
Category : Science
Languages : en
Pages : 250
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Book Description
This volume gathers the contributions of six world experts to a course on combustion modelling. Therefore, a pedagogical effort has been made in writing up these texts, which cover state of the art advances in most aspects of combustion science. The book is aimed at students, researches and engineers, as was the course.
Author: Fabrice Charlette
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 207
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Book Description
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.
Author: Guillaume Rymer
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 339
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Book Description
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: Bruno Dillies
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 245
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Book Description
Depuis quelques années, des nouvelles méthodes sont apparues pour la mise au point et l'optimisation des chambres de combustion des moteurs d'automobile. Pour compléter les essais au banc moteur de nouvelles motorisations, la simulation numérique des écoulements est ainsi un outil de plus en plus utilise dans le milieu industriel. La thèse porte sur le développement et la validation par l'expérience d'un modèle de calcul de la combustion dans les moteurs diesel. Apres un passage en revue des différentes approches possibles (chapitre 1) de la modélisation de la combustion turbulente, la formulation retenue est présentée. La modélisation adoptée est une formulation dérivée des travaux de Marble et Broadwell (1977) sur le modèle de flamme cohérente. Ce modèle permet de traiter le problème de la modélisation par trois étapes: la modélisation de l'écoulement turbulent (approche k-Ɛ, le calcul des effets cinétiques locaux dans le front de flamme et enfin le calcul du taux de réaction moyen (par l'équation d'évolution de la densité de surface de flamme). Les chapitres suivants sont consacrés d'une part à des aspects théoriques du modèle de flamme cohérente, d'autre part à une application du modèle à la combustion de jets diesel. Le chapitre 2 traite ainsi le cas d'une flamme turbulente de prémélange enflammée par des gaz brules à grande vitesse (flamme pilote de l'ONERA). Des évolutions du modèle ont été testées, en particulier sur la prise en compte de l'effet de l'étirement du front de flamme par l'écoulement moyen et la stabilisation de la flamme par les gaz brûlés. L'implantation de l'équation de densité de surface de flamme dans le code industriel KIVA2 GSM est abordée dans le chapitre 3, dans le cas de la propagation d'une flamme de prémélange dans une chambre de volume constant. Dans le chapitre 4, le modèle de flamme cohérente a trois équations appliqué à la combustion dans les moteurs diesel est décrit en détail, avec en particulier le couplage au modèle de jet diphasique. Le modèle est testé dans le cas de l'inflammation et de la combustion d'un jet de combustible dans une chambre de volume constant. Dans le dernier chapitre, le modèle est appliqué au calcul d'un moteur diesel à injection directe à accès optiques. Les résultats sont comparés avec ceux de la base de données comprenant des grandeurs globales (pression moyenne,) pour plusieurs points de fonctionnement et des grandeurs locales (pénétration du jet dans la chambre de combustion). En dernier lieu, les perspectives de ce travail de recherche sont évoquées: évolutions du modèle de flamme cohérente (équation de densité de surface de flamme, méthodes LES), modélisation et validation plus détaillée des phénomènes d'injection diphasique
