Simulation aux grandes échelles des interactions flamme PDF Download
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Author: Laurent Selle
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 184
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Book Description
Les écoulements vrillés (i.e. en rotation par rapport à la direction principale de l'écoulement) présentent des topologies très variées en fonction du rapport entre la vitesse débitante et la vitesse de rotation. Si ce rapport est suffisamment grand, il se forme une zone de recirculation sur l'axe de rotation. Cette propriété est utilisée dans les foyers de turbines pour stabiliser la flamme et la rendre compacte. Cependant, ces écoulements sont sujets à des instabilités de combustion résultant du couplage entre l'acoustique et la réaction chimique, pouvant entraîner jusqu'à la destruction du système. Ces instabilités sont totalement imprévisibles à l'aide des méthodes d'ingénierie classiques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse propose de démontrer que de nouveaux outils numériques sont potentiellement capables de prédire les instabilités de combustion. Par exemple, la méthode de Simulation aux Grandes Echelles, implémentée dans un code de calcul compressible permet de prendre en compte les ingrédients principaux des instabilités de combustion comme l'acoustique et l'interaction entre un front de flamme et une structure tourbillonnaire. Ce travail de thèse montre une validation de la simulation aux grandes échelles dans une géométrie industrielle complexe (brûleur SIEMENS) pour un écoulement vrillé non-réactif et réactif. Le code de calcul utilisé est le code AVBP, développé au CERFACS. Les résultats numériques sont comparés avec succès à des mesures expérimentales effectuées à l'Université de Karlsruhe (Allemagne). De plus, une analyse approfondie de l'acoustique de la configuration et de son interaction avec la combustion est présentée. Pour cette analyse, c'est un autre code du CERFACS (AVSP) qui est utilisé.
Author: Laurent Selle
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Category :
Languages : en
Pages : 184
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Book Description
Les écoulements vrillés (i.e. en rotation par rapport à la direction principale de l'écoulement) présentent des topologies très variées en fonction du rapport entre la vitesse débitante et la vitesse de rotation. Si ce rapport est suffisamment grand, il se forme une zone de recirculation sur l'axe de rotation. Cette propriété est utilisée dans les foyers de turbines pour stabiliser la flamme et la rendre compacte. Cependant, ces écoulements sont sujets à des instabilités de combustion résultant du couplage entre l'acoustique et la réaction chimique, pouvant entraîner jusqu'à la destruction du système. Ces instabilités sont totalement imprévisibles à l'aide des méthodes d'ingénierie classiques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse propose de démontrer que de nouveaux outils numériques sont potentiellement capables de prédire les instabilités de combustion. Par exemple, la méthode de Simulation aux Grandes Echelles, implémentée dans un code de calcul compressible permet de prendre en compte les ingrédients principaux des instabilités de combustion comme l'acoustique et l'interaction entre un front de flamme et une structure tourbillonnaire. Ce travail de thèse montre une validation de la simulation aux grandes échelles dans une géométrie industrielle complexe (brûleur SIEMENS) pour un écoulement vrillé non-réactif et réactif. Le code de calcul utilisé est le code AVBP, développé au CERFACS. Les résultats numériques sont comparés avec succès à des mesures expérimentales effectuées à l'Université de Karlsruhe (Allemagne). De plus, une analyse approfondie de l'acoustique de la configuration et de son interaction avec la combustion est présentée. Pour cette analyse, c'est un autre code du CERFACS (AVSP) qui est utilisé.
Author: Sergio Pirozzoli
Publisher: Springer
ISBN: 3030170128
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 250
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Book Description
This book provides state-of-art information on high-accuracy scientific computing and its future prospects, as applicable to the broad areas of fluid mechanics and combustion, and across all speed regimes. Beginning with the concepts of space-time discretization and dispersion relation in numerical computing, the foundations are laid for the efficient solution of the Navier-Stokes equations, with special reference to prominent approaches such as LES, DES and DNS. The basis of high-accuracy computing is rooted in the concept of stability, dispersion and phase errors, which require the comprehensive analysis of discrete computing by rigorously applying error dynamics. In this context, high-order finite-difference and finite-volume methods are presented. Naturally, the coverage also includes fundamental notions of high-performance computing and advanced concepts on parallel computing, including their implementation in prospective hexascale computers. Moreover, the book seeks to raise the bar beyond the pedagogical use of high-accuracy computing by addressing more complex physical scenarios, including turbulent combustion. Tools like proper orthogonal decomposition (POD), proper generalized decomposition (PGD), singular value decomposition (SVD), recursive POD, and high-order SVD in multi-parameter spaces are presented. Special attention is paid to bivariate and multivariate datasets in connection with various canonical flow and heat transfer cases. The book mainly addresses the needs of researchers and doctoral students in mechanical engineering, aerospace engineering, and all applied disciplines including applied mathematics, offering these readers a unique resource.
Author: Paul-Henri Renard
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Category :
Languages : fr
Pages : 326
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Book Description
La complexité des mécanismes physiques en jeu en combustion turbulente et la difficulté à mesurer des grandeurs physiques dans des configurations réelles ont considérablement ralenti l'avancement des connaissances dans ce domaine. Un moyen de se sortir de ce mauvais pas est d'étudier des configurations modèles simples pour espérer tirer des informations exploitables pour des cas plus complexes. L'étude des interactions flamme/tourbillon relève de cette démarche. Ce travail de thèse s'articule autour de quatre chapitres. Le premier commence par exposer un certain nombre de faits expérimentaux liés aux tourbillons. Puis, on y fait le bilan des connaissances sur les interactions flamme/tourbillon tant dans le cas prémélange que dans le cas non-prémélange. Enfin, une petite synthèse des théories les plus récentes sur les diagrammes de combustion turbulente est présentée. Le deuxième chapitre présente les différents moyens d'analyse à notre disposition. Le dispositif expérimental est d'abord présenté. Puis, une description, assez détaillée, des techniques de mesure est proposée. Enfin, l'interprétation des mesures est faite à la lumière de simulations numériques directes d'interactions flamme/tourbillon bidimensionnelles. Un certain nombre de calculs analytiques sont présentes dans le troisième chapitre. Ils permettent d'avoir accès à des grandeurs physiques importantes pour la compréhension de la dynamique de l'interaction qui ne sont pas accessibles à la mesure. Le dernier chapitre présente les résultats de ce travail. Pour commencer, des mesures expérimentales sont présentées pour le cas prémélange. Elles confirment des résultats antérieurs de simulation et ouvrent de nouveaux horizons sur l'étude des interactions de fronts de flamme. Puis, le cas non-prémélange est traité. Des résultats de simulations sont d'abord analysés, ce qui donne des clés pour la compréhension des résultats expérimentaux. Une comparaison de nos modèles théoriques sur les tourbillons avec l'expérience est ensuite faite. Les différents régimes d'interaction sont alors présentés et regroupés dans un diagramme spectral qui permet l'élaboration d'un diagramme de combustion turbulente. Pour finir, un modèle de combustion turbulente pour la simulation aux grandes échelles est proposé.
Author: Fabrice Charlette
Publisher:
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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: Damien Poitou
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Languages : fr
Pages : 269
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Book Description
La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente.
Author: Ronnie Knikker
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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: Fabien Defransure
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Languages : fr
Pages : 2
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Book Description
rge stratifiée par injection directe d'essence. Le moteur peut fonctionner avec un mélange globalement pauvre et la combustion se développe dans un milieu de richesse variable. Pour répondre aux besoins de compréhension physique du développement de la combustion dans de tels milieux, une Action de Recherche Concertée (ARC) " combustion en charge stratifiée " a été créée et regroupe des actions expérimentales et numériques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de la combustion dans les milieux de richesse variable. Elle est basée sur la simulation aux grandes échelles. Le modèle de combustion choisi est le modèle de flamme épaissie implanté dans le code AVBP. Il a d'abord été testé sur un cas académique de flamme rencontrant une hétérogénéité de richesse.Devant sa relative défaillance à reproduire l'effet de l'hétérogénéité sur la propagation de la flamme, des évolutions ont été proposées. Elles permettent de mieux la décrire et fournissent une description plus physique de la composition des gaz brûlés. Les simulations des expériences de l'ARC montrent la capacité du modèle à reproduire des phénomènes propres aux flammes stratifiées comme la poursuite de la réaction alors que la richesse rencontrée est sous la limite d'inflammabilité pauvre. La simulation de la configuration en " bombe " montre aussi la prise en compte naturelle par le modèle des effets de pression sur la vitesse de flamme. Ce modèle semble donc un bon candidat à la description de la combustion dans les moteurs, qu'ils fonctionnent ou non en charge stratifiée.
Author: Roger Prud'homme
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1118832663
Category : Science
Languages : en
Pages : 200
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Book Description
Flows with chemical reactions can occur in various fields such as combustion, process engineering, aeronautics, the atmospheric environment and aquatics. The examples of application chosen in this book mainly concern homogeneous reactive mixtures that can occur in propellers within the fields of process engineering and combustion: – propagation of sound and monodimensional flows in nozzles, which may include disequilibria of the internal modes of the energy of molecules; – ideal chemical reactors, stabilization of their steady operation points in the homogeneous case of a perfect mixture and classical instruments of experimental and theoretical analysis such as population balances, and the distribution of residence and passage times; – laminar and turbulent flames, separating those which are premixed from those which are not and which do not exhibit the same mechanisms, but which also occur in the case of triple flames. Flows and Chemical Reactions in Homogeneous Mixtures provides information on dimensional analysis, statistical thermodynamics with coupling between internal modes and chemical reactions, the apparition and damping of fluid turbulence as well as its statistical processing, bifurcations, flames in a confined medium and diffusion. Contents 1. Flows in Nozzles. 2. Chemical Reactors. 3. Laminar and Turbulent Flames. Appendix 1. Dimensionless Numbers, Similarity. Appendix 2. Thermodynamic Functions. Appendix 3. Concepts of Turbulence. Appendix 4. Thermodynamic functions for a mixture in disequilibrium. Appendix 5. Notion of bifurcation. Appendix 6. Confined flame. Appendix 7. Limits of Validity of the First-order Expansions for Diffusion Flames.
Author: JULIEN.. PIANA
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 187
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Book Description
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: Raphaël Courtois
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 223
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Book Description
Cette thèse est consacrée à la simulation aux grandes échelles (SGE) de l’écoulement dans une chambre de combustion en forme de marche descendante. Cette technique de simulation rend possible l’étude des phénomènes instationnaires et permet en particulier d’analyses le couplage entre la dynamique du front de flamme et l’écoulement. Dans le cadre de cette thèse, la chambre d’expérimentale en forme de marche descendante appelée chambre A3C a été choisie comme cas test. Cette chambre a en effet été l’objet, au laboratoire LAERTE de l’ONERA, de nombreuses mesures qui ont permis d’établir une base de données expérimentales fournie en champs moyens de température et de vitesse. Ces résultats expérimentaux servent de référence pour les calculs numériques effectués au cours de cette thèse. Les phénomènes instationnaires mis en évidence dans les calculs font aussi l’objet d’une analyse. Le code de calcul utilisé est le code AVBP développé au CERFACS. Dans un premier temps, notre étude a porté sur le cas simplifié de l’écoulement non réactif. Des calculs bidimensionnels ont d’abord été réalisés dans le cadre d’une prise en main du code AVBP. Une série de tests a ensuite été menée de façon à valider le code dans le cas de calculs tridimensionnels, plus réalistes. Dans un second temps, la combustion a été prise en compte grâce à un modèle de flamme épaissie. Une série de calculs bidimensionnels a d’abord été menée afin d’évaluer la fiabilité de test de calculs. Des calculs tridimensionnels ont ensuite été réalisés de façon à prendre totalement en compte l’influence de la turbulence sur le front de flamme. Ces calculs tridimensionnels sont très coûteux et leur intérêt est donc discuté.
