Simulation numérique instationnaire de la combustion turbulente au sein de foyers aéronautiques et prédiction des émissions polluantes PDF Download
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Author: Julien Savre
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Languages : fr
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Book Description
Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.
Author: Julien Savre
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Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.
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: Jean-Philippe Legier
Publisher:
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Languages : fr
Pages : 207
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Book Description
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: Heinz Pitsch
Publisher: Springer
ISBN: 9783030447205
Category : Mathematics
Languages : en
Pages : 292
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This book presents methodologies for analysing large data sets produced by the direct numerical simulation (DNS) of turbulence and combustion. It describes the development of models that can be used to analyse large eddy simulations, and highlights both the most common techniques and newly emerging ones. The chapters, written by internationally respected experts, invite readers to consider DNS of turbulence and combustion from a formal, data-driven standpoint, rather than one led by experience and intuition. This perspective allows readers to recognise the shortcomings of existing models, with the ultimate goal of quantifying and reducing model-based uncertainty. In addition, recent advances in machine learning and statistical inferences offer new insights on the interpretation of DNS data. The book will especially benefit graduate-level students and researchers in mechanical and aerospace engineering, e.g. those with an interest in general fluid mechanics, applied mathematics, and the environmental and atmospheric sciences.
Author: Eric Maistret
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Languages : fr
Pages : 405
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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: Martin Hilka
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Languages : fr
Pages : 260
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Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances et les modèles de la combustion turbulente prémélangée et en particulier de la formation des polluants dans les flammes turbulentes. Basée sur une approche de simulation numérique directe, bâtie autour du code NTMIX-CHEMKIN et en tenant compte de cinétiques chimiques complexes, nous avons étudié, d'une part, l'interaction d'une flamme de prémélange plane avec une paire de tourbillons, d'autre part, l'interaction flamme turbulence sur la base d'une turbulence homogène isotrope bidimensionnelle. Les résultats de ces études montrent l'inadéquation de certains schémas cinétiques pour la description de l'interaction flamme-tourbillons et donc, à fortiori, pour l'interaction flamme-turbulence. On trace également l'évolution de grandeurs caractéristiques telles que le taux de dégagement de chaleur et l'émission lumineuse au cours de l'interaction. L'étude de flammes turbulentes montre le rôle du monoxyde de carbone en tant qu'intermédiaire clé entre l'oxydation du combustible méthane et la formation du dioxyde de carbone. On observe également que la formation instantanée du monoxyde d'azote no dans une flamme turbulente suit la même dépendance de la température que celle d'une flamme laminaire et peut donc être modélisée en faisant intervenir la fonction de densité de probabilité de la température de l'écoulement turbulent. Par ailleurs, l'analyse statistique des flammes avec une cinétique chimique complexe montre qu'il n'est pas possible d'obtenir les propriétés représentatives d'une surface de flamme à partir d'un seul iso-contour d'une variable caractéristique. L'exploitation de résultats de simulation numérique directe pour ce type de modèles de combustion nécessite l'introduction de grandeurs globales, définies ici par intégration perpendiculaire au front de flamme.
Author: Bruno Tourniaire
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Languages : fr
Pages : 231
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L'etude des ecoulements turbulents reactifs est le principal objectif de cette these. Nous presentons dans ce travail un modele de combustion turbulente de type pdf presumee, le modele cle (combustion limitee par l'equilibre). Ce dernier permet la simulation des flammes de diffusion et de premelange: il est donc particulierement bien adapte a l'etude des configurations industrielles dans lesquelles la complexite de l'ecoulement fait que la flamme conserve rarement une nature identique (premelange ou diffusion). Afin d'evaluer les performances et les limites de ce modele, nous etudions egalement une version du modele de flamme coherente pour la combustion premelangee et le modele probabiliste eulerien-lagrangien peul pour la combustion non-premelangee. Ces modeles ont ete introduits dans le code natur. L'approche numerique utilisee repose sur une discretisation en temps semi-implicite et sur une discretisation spatiale en elements finis. Les simulations de flammes de premelange et de diffusion avec differents modes de stabilisation montrent les possibilites du modele cle, en particulier l'aptitude a predire indifferemment les flammes de premelange et de diffusion. Les memes configurations, testees avec les modeles precedemment cites, ont revele ses limites: absence de prise en compte des effets de cinetique chimique, en raison de la conclusion positive tiree a l'issue de ces etudes, le modele cle est utilise pour la simulation de l'ecoulement reactif dans un foyer aeronautique.
Author: National Aeronautics and Space Administration (NASA)
Publisher: Createspace Independent Publishing Platform
ISBN: 9781724245670
Category :
Languages : en
Pages : 290
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Book Description
The objective of this thesis is to further develop and test a stochastic model of turbulent combustion in recirculating flows. There is a requirement to increase the accuracy of multi-dimensional combustion predictions. As turbulence affects reaction rates, this interaction must be more accurately evaluated. In this work a more physically correct way of handling the interaction of turbulence on combustion is further developed and tested. As turbulence involves randomness, stochastic modeling is used. Averaged values such as temperature and species concentration are found by integrating the probability density function (pdf) over the range of the scalar. The model in this work does not assume the pdf type, but solves for the evolution of the pdf using the Monte Carlo solution technique. The model is further developed by including a more robust reaction solver, by using accurate thermodynamics and by more accurate transport elements. The stochastic method is used with Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations. The SIMPLE method is used to solve for velocity, pressure, turbulent kinetic energy and dissipation. The pdf solver solves for temperature and species concentration. Thus, the method is partially familiar to combustor engineers. The method is compared to benchmark experimental data and baseline calculations. The baseline method was tested on isothermal flows, evaporating sprays and combusting sprays. Pdf and baseline predictions were performed for three diffusion flames and one premixed flame. The pdf method predicted lower combustion rates than the baseline method in agreement with the data, except for the premixed flame. The baseline and stochastic predictions bounded the experimental data for the premixed flame. The use of a continuous mixing model or relax to mean mixing model had little effect on the prediction of average temperature. Two grids were used in a hydrogen diffusion flame simulation. Grid density did not effect the predictions except fo...
Author: Étienne Varin
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 142
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Book Description
Ce travail concerne la modélisation des écoulements turbulents réactifs. L'objectif visé consiste à développer un code de calcul susceptible de prédire les niveaux de suie dans les foyers aéronautiques. On choisit d'appréhender la combustion turbulente par une approche de type Probabiliste Eulérienne Lagrangienne (PEUL). Le champ de vitesse est obtenu par la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées et le champ de composition chimique et de température par la résolution, à l'aide d'une méthode de Monte Carlo, de l'équation de transport de la PDF (Probability Density Function). Afin de calculer des niveaux de suie, ce modèle de combustion turbulente est couplé à un modèle de formation/destruction des suies. Ce second modèle prend en compte les processus d'apparition des précurseurs et de nucléation, de croissance en surface, de coalescence et d'oxydation des particules de suie. Les résultats de calcul obtenus dans le cas de la simulation d'une flamme turbulente de diffusion éthylène/air, sont comparés avec des résultats expérimentaux. La dernière partie de ce travail présente les résultats de la simulation d'une chambre de combustion aéronautique.
Author: Benoît Fiorina
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Languages : fr
Pages : 174
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Book Description
Face aux contraintes économiques et environnementales, les concepteurs d'équipements thermiques industriels cherchent à maîtriser les systèmes de combustions. La simulation numérique est devenue un outil de développement aujourd'hui très répandu dans le secteur industriel. Pour prédire avec précision la forme de la flamme, le champ de température ou encore la formation des polluants, il est nécessaire de tenir compte des interactions entre la mécanique des fluides, la chimie et les transferts thermiques. Le développement d'un nouveau modèle de combustion turbulente fait l'objet de ce manuscrit. Une méthode de tabulation de la cinétique chimique, appelée FPI est introduite. Cette approche suppose que la structure chimique d'une flamme peut être reproduite à l'aide de flammes laminaires 1-D prémélangées adiabatiques. A l'aide de résultats obtenus sur des flammes 1-D à contre-courant, il est observé que ce modèle est adapté aux flammes prémélangées et à certaines flammes partiellement prémélangées. Il est notamment utilisé avec succès pour simuler des flammes partiellement prémélangées 2-D laminaires soumises à des pertes thermiques. La méthode FPI est introduite dans un modèle de combustion turbulente via des fonctions de densité de probabilité présumées. Une nouvelle loi de fermeture du taux de dissipation scalaire de l'avancement de la réaction, basée à la fois sur l'échelle de temps de la turbulence et sur la densité de surface de flamme, est proposée. Le modèle de combustion turbulente est appliqué successivement à deux configurations prémélangée et partiellement prémélangée, préalablement étudiées de manière approfondie en laboratoire puis à une chaudière industrielle.
