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19.4 Mo

Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline : Energétique
Spécialité : Mécanique des Fluides

Par

Guillaume GODEL

Soutenue le 1er février 2010

Modélisation de sous-maille de la combustion turbulente. Développement d’outils pour la prédiction de la pollution dans une chambre aéronautique
Jury

Rapporteurs
L. GICQUEL, Chercheur Senior, CERFACS, Toulouse
O. GICQUEL, Professeur, Ecole Centrale Paris

Directeurs de thèse
P. DOMINGO, Chargée de Recherche, CNRS CORIA, Rouen
L. VERVISCH, Professeur INSA de Rouen, CORIA

Examinateurs
A. CESSOU, Chargée de Recherche, CNRS CORIA, Rouen
Ph. GUIBERT, Professeur, UPMC-CNRS, Institut Jean Le Rond d’Alembert, St-Cyr L’Ecole

Membres Invités
K. BRAY, Professeur Emérite, Cambridge, UK
M. RULLAUD, Docteur Ingénieur de Recherche, Snecma, Villaroche

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx …) des foyers de combustion de turboréacteurs. L’étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d’azote via la modification de la variable d’avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d’espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l’aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l’implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d’interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés.

Mots-clés : Simulation aux grandes échelles - Modélisation de la combustion turbulente - Chimie tabulée - Hypothèse de flammelettes - Prédiction des NOx - Flammes non-prémélangées.

Turbulent combustion Sub-Grid Scale modeling. Towards pollutant emissions predictive tools for aeronautical chambers.

This thesis is focused on the prediction capabilities of pollution (CO, NOx especially) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on Large-Eddy Simulation methods coupled with a tabulated detailed chemistry approach. The PCM-FPI model, which stands for Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM, has been revised to take into account nitrogen chemistry through a modification of the progress variable. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Cabra and Sandia flames have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The role of CH2O as a marker of heat release is investigated, first in the frame of laminar premixed flames and then validated through LES runs. The challenges of the implementation of tabulated chemistry methods on massively parallel machines are discussed. Modifications are proposed regarding both the table structure and the interpolation methods leading to a mesh sensitivity review applied to the Sandia D flame. Difficulties arising when dealing with NOx chemistry in turbulent flows are presented : new Sub-Grid Scale models are introduced and investigated.

Keywords : Large-Eddy Simulation - Turbulent combustion modeling - Tabulated chemistry - Flamelet hypothesis - NOx prediction - Non-premixed flames.

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