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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Par

Jérémy GALPIN

Soutenue le 11 décembre 2007

Modélisation LES de la combustion avec une prise en compte des effets de cinétique détaillée et en perspective d’application moteur
Jury Prof. Philippe Guibert Président Université Pierre et Marie Curie
Dr. Thierry Poinsot Rapporteur IMF de Toulouse
Prof. Olivier Gicquel Rapporteur École Centrale Paris
Prof. Epaminondas Mastorakos Examinateur Cambridge University
Dr. Philippe Trouillet Examinateur PSA Peugeot-Citroën
Prof. Luc Vervisch Examinateur INSA de Rouen - CORIA
Dr. Christian Angelberger Examinateur IFP

Le respect des normes de pollution de plus en plus sévères et la nécessité de réduire les consommations sont des défis auxquels les constructeurs d’automobiles doivent faire face. La simulation aux grandes échelles (LES) apparaît être une voie prometteuse pour aider à la conception de procédés de combustion innovants. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la modélisation LES de la combustion avec une prise en compte des effets de cinétique détaillé, et ce afin de prédire l’auto inflammation et les polluants. L’approche de modélisation retenue combine un modèle à fonctions de densité de probabilité présumées (PCM) et une approche de chimie détaillée tabulée (FPI). L’introduction du modèle PCM-FPI dans le solveur LES compressible multi-espèces AVBP est discutée. Dans ce but, il est mis évidence que les taux de réaction des espèces peuvent être fermés par une tabulation directe ou par une méthode de reconstruction à partir des fractions massiques tabulées. Une méthodologie de tabulation de la chimie détaillée adaptée à un solveur multi-espèces est proposée et les tabulations réalisées de l’hydrogène, du méthane et du n-heptane sont évaluées. Des aspects numériques liés à la résolution d’une équation de transport pour la variance de sous-maille sont également traités. Enfin, les développements réalisés sont confrontés à deux configurations pour lesquelles des mesures expérimentales sont disponibles : un brûleur pré-mélangé swirlé et l’auto inflammation d’un jet turbulent d’hydrogène.

Mots clés : LES, chimie tabulée, fonction de densité de probabilité, variance de sous-maille

LES modelling of combustion taking into account detailed kinetic effects and with the perspective of piston engine applications

The necessity of consumption and pollution reductions constitutes a major challenge that automotive industrials have to face. Large eddy simulation (LES) appears as a promising way, as it allows to provide a precious help for developing innovative combustion devices. More precisely, our interest is on the LES modelling of combustion including detailed chemistry effects in order to predict auto-ignition and pollutants. The retained approach combines a presumed probability density function model (PCM) and a tabulated chemistry approach (FPI). The introduction of the PCM-FPI model into the fully-compressible multi-species solver AVBP is discussed. It is pointed out that the species reaction rates can be closed by a direct tabulation or by a reconstruction method from the tabulated species mass fractions. A chemical tabulation methodology for multi-species solvers is introduced and the tabulations of hydrogen, methane and n-heptane are evaluated. Some numerical aspects linked to the solving of a balance equation for the sub-grid scale variance are also studied. Finally, the developments are applied to two configurations, for which experimental data are available : a premixed swirl burner and the auto-ignition of a turbulent hydrogen jet.

Key words : LES, tabulated chemistry, probability density functions, sub-grid scale variance

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