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21.2 Mo

Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline : Énergétique
Spécialité : Mécanique des Fluides

Par

Nicolas ENJALBERT

Soutenue le 16 décembre 2011

Modélisation avancée de la combustion turbulente diphasique en régime de forte dilution par les gaz brûlés
Jury

Rapporteurs
Michel Champion — Directeur de Recherche au CNRS
César Dopazo — Professeur à l’Université de Saragosse

Examinateurs
Emmanuel Fiani — Direction Production et Énergies Durables ADEME
Frédéric Grisch — Professeur à l’INSA de Rouen
Bernard Labegorre — Expert Combustion Air Liquide
Ronan Vicquelin — Maître de Conférences à l’École Centrale Paris

Encadrants
Pascale Domingo — Directrice de Recherche au CNRS
Vincent Moureau — Chargé de Recherche au CNRS
Luc Vervisch — Professeur à l’INSA de Rouen

Résumé

Afin de contribuer à l’amélioration des simulations numériques de foyers industriels avec recycle de gaz brûlés et combustible liquide, la modélisation de la combustion turbulente non prémélangée est abordée sous deux de ses aspects : le traitement des problèmes diphasiques et la prise en compte des configurations complexes de mélange (dilution, recirculation interne).
En premier lieu, une flamme spray éthanol/oxygène diluée par du dioxyde de carbone, étudiée expérimentalement sur un banc du CORIA (A. Cessou, D. Honoré, G. Cléon) est calculée en LES avec le solveur YALES2, pour une résolution atteignant 250 µm. Les conditions d’injection du brouillard de gouttes sont déterminées à partir des mesures expérimentales de granulométrie et d’anémométrie phase Doppler. La phase dispersée, traitée par transport de particules lagrangiennes, et la phase continue décrite avec un formalisme eulérien, sont couplées sur les transferts de quantité de mouvement, d’énergie et de masse. Un modèle d’évaporation a été intégré au code à cet effet. Le modèle de combustion prend en compte une chimie détaillée de l’éthanol à 56 espèces et 350 réactions. Selon le modèle de fluctuations de sous-maille adopté, on capture correctement la hauteur de suspension de la flamme ou la structure détaillée de sa base.
Dans une seconde partie, un nouveau formalisme de description de la combustion turbulente, basé sur l’introduction de temps caractéristiques de l’histoire du mélange est développé. Il offre un cadre dans lequel les distributions jointes de sous-maille des paramètres de l’interaction chimie-turbulence ne sont pas présumées mais générées. Les problèmes multi-entrées de dilution et de recirculation interne des gaz brûlés peuvent ainsi être formellement décrits. Au cœur de l’approche on trouve une classe de scalaires décrivant directement, en tout point de l’écoulement, les propriétés des trajectoires passées des éléments fluides. Sont en particulier introduits : le temps de résidence, qui mesure la durée pendant laquelle les réactifs ont été mis en contact par les structures turbulentes ; et un temps de mélange, estimation de l’intensité de la turbulence dans l’histoire des éléments fluides. Cette méthode est validée en LES sur le cas de référence d’une flamme jet dans un écoulement co-courant vicié ; son application au calcul d’un brûleur Air Liquide avec recycle de gaz de combustion et de recirculation interne est ensuite évaluée.

Abstract

As a contribution to the improvement of numerical simulations of industrial furnaces with flue gas recirculation and liquid fuel, two aspects of the non-premixed turbulent combustion modeling are addressed : the handling of two-phase problems and the treatment of complex mixing configuration, such as dilution and internal recirculation.
An ethanol/oxygen spray flame studied experimentally at CORIA is first solved in an LES with the YALES2 solver, at a resolution reaching 250 µm. The spray injection conditions are determined from granulometry and Doppler-phase anemometry measurements. The dispersed phase is described by Lagrangian particle transport and the continuous phase with an Eulerian formalism. The momentum, energy and mass equations are two-way coupled. To that end, an evaporation model was implemented into the code. The combustion model involves a detailed, 56-species, 350-reaction scheme of ethanol oxidation. Depending on the subgrid-scale fluctuation model chosen, the flame’s lift-off height or its base’s detailed structure are captured.
In a second part, a novel formalism to describe turbulent combustion is developed, based on the introduction of characteristic timescales of the mixing history. Joint subgrid-scale distributions of the chemistry–turbulence interaction parameters are not presumed but generated. Such multiple-inlet problems as those posed by dilution and internal recirculation configurations can formally be described. At the heart of the approach lies a class of scalars that directly describe the fluid particles’ trajectory properties. In particular one introduced : the residence time, measuring the duration over which reactants have been put in contact by turbulent structures ; and a mixing time, the estimation of the turbulent intensity along the fluid elements’ trajectories. This method is validated in LES on the reference case of a jet flame in a vitiated co-flow. Its application to the simulation of an Air Liquide burner with flue gas recirculation is then assessed.

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