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Simulation aux grandes échelles du brûleur PRECCINSTA avec transport complexe et pertes thermiques

Afin de réduire les émissions d’azote, les constructeurs de turbines à gaz aéronautiques cherchent à baisser le niveau de température maximum dans la chambre de combustion. La combustion prémélangée pauvre est un moyen simple d’y parvenir. Toutefois, ce type de flamme est moins robuste que les flammes non-prémélangées, ce qui réduit les marges d’opérabilité. Les motoristes et les chercheurs travaillent donc plusieurs années à la modélisation et la compréhension de ces flammes.
Plusieurs études ont été menées depuis 2009 au CORIA au moyen du code de calcul YALES2. Des bases de données de simulations hautement résolues du brûleur PRECCINSTA ont été réalisées en régime parfaitement prémélangé [1]. La résolution du maillage était de l’ordre de 100 microns avec 2,6 milliards de tétraèdres en régime parfaitement prémélangé et 60 microns avec 12 milliards de tétraèdres en régime partiellement prémélangé. Dans le cadre des modèles de chimie tabulée, ces résolutions permettent de résoudre l’ensemble des interactions flamme/turbulence. Ces bases de données uniques ont permis de développer de nouveaux modèles de combustion [1,2] et elles ont servi de validation a priori et a posteriori à des modèles existants comme le modèle de plissement dynamique [3,4].
Depuis 2016, de nouvelles simulations du brûleur PRECCINSTA ont été menées avec un transport détaillé des espèces, qui ne fait donc plus l’hypothèse de flammelette. Ces simulations utilisent le schéma cinétique LU17 [Sankaran et al., PCI 2007], qui comporte 17 espèces et 72 réactions, couplé au modèle d’épaississement de flamme dynamique (DTFLES). Ce type de schéma cinétique permet de bien rendre compte de la vitesse de flamme sur une large plage de richesse ainsi que de la production/destruction des espèces intermédiaires comme OH. En prenant en compte les pertes thermiques aux parois et en poussant la résolution à 150 microns dans le front de flamme pour un maillage de 878 millions de tétraèdres, il a été possible de reproduire les topologies de flamme observées expérimentalement [5].
Plus récemment, ces simulations ont été reproduites avec adaptation dynamique de maillage. A iso-résolution de maillage dans le front de flamme et à iso-qualité de simulation, un gain significatif en temps de calcul est observé [6].

Références

[1] MOUREAU, V., DOMINGO, P. & VERVISCH, L. (2011) From large-eddy simulation to direct numerical simulation of a lean premixed swirl flame : Filtered laminar flame-pdf modelling. Comb. and Flame 158, 1340–1357.

[2] MERCIER, R., MEHL, C., FIORINA, B. & MOUREAU, V. (2019) Filtered wrinkled flamelets model for large-eddy simulation of turbulent premixed combustion. Comb. and Flame 205, 93–108.

[3] VEYNANTE, D. & MOUREAU, V. (2015) Analysis of dynamic models for large eddy simulations of turbulent premixed combustion. Comb. and Flame162(12), 4622 – 4642.

[4] MERCIER, R., MOUREAU, V., VEYNANTE, D. & FIORINA, B. (2015) LES of turbulent combustion: on the consistency between flame and flow filter scales. Proc. Combust. Inst.35(2), 1359–1366.

[5] BENARD, P., LARTIGUE, G., MOUREAU, V. & MERCIER, R. (2019) Large-Eddy Simulation of the lean-premixed PRECCINSTA burner with wall heat loss. Proceedings of the Combustion Institute,1–11.

[6] MOUREAU,  V.,  BENARD,  P.,  LARTIGUE,  G.  &  MERCIER,  R.  (2019)  Dynamic  adaptation of tetrahedral-based meshes for the simulation of turbulent premixed flames. 17th International Conference on Numerical Combustion. Aachen, Germany.
ERCIER, R., MEHL, C., FIORINA, B. & MOUREAU, V. (2019) Filtered wrinkled flamelets modelfor large-eddy simulation of turbulent premixed combustion.Combustion an