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Institut National Polytechnique de Toulouse Habilitation à Diriger des Recherch

Institut National Polytechnique de Toulouse Habilitation à Diriger des Recherches présentée par Benoît Fiorina Partie 2: rapport scientiﬁque Date et lieu de la soutenance : 21 septembre 2012 à l’Ecole Centrale Paris Tabulation de la cinétique chimique pour la modélisation de la combustion turbulente Exemplaire provisoire Jury : MM. Amsini Sadiki Rapporteur Michel Champion Rapporteur Epaminondas Mastorakos Rapporteur Luc Vervisch Denis Veynante Nasser Darabiha Heinz Pitsch Thierry Poinsot Correspondant Ecole Centrale des Arts et Manufactures Grand Etablissement sous tutelle du Ministère de l’Education Nationale Grande Voie des Vignes 92295 CHATENAY MALABRY Cedex Tél. : 33 (1) 41 13 10 00 (standard) Télex : 634 991 F EC PARIS Laboratoire d’Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (E.M2.C.) UPR 288, CNRS et Ecole Centrale Paris Tél. : 33 (1) 41 13 10 31 Télécopie : 33 (1) 47 02 80 35 2012 Résumé De nombreux phénomènes physiques caractéristiques des écoulements réactifs sont pilotés par le détail de la cinétique chimique de la combustion. Il s’agit par exemple de l’allumage et de l’extinction d’une ﬂamme, de la formation des espèces polluantes ou encore de la propagation d’un front dans un milieu réactif. Une simpliﬁcation des schémas cinétiques à une ou quelques étapes est souvent insuﬃsante pour prédire ces phénomènes. Ce manuscrit propose des modèles pour tenir compte de la complexité de la cinétique chimique de la combustion qui s’articulent autour des méthodes de tabulation de la cinétique chimique. Peu pénalisantes en temps de calcul, elles permettent la réalisation de simulations numériques représentatives de la combustion dans des systèmes industriels où la géométrie des chambres de combustion est généralement complexe. La première partie de ce document traite de la technique de tabulation de la cinétique chimique. Les coordonnées principalement utilisées pour capturer la structure chimique des ﬂammes sont déﬁnies. Nous proposerons ensuite dif- férentes stratégies de construction des tables thermochimiques en fonction des régimes de combustion étudiés. La deuxième partie de ce manuscrit se concentre sur l’implantation d’une base de chimie tabulée dans un code de simulation nu- mérique de la dynamique des ﬂuides. Deux formulations sont proposées en fonc- tion des hypothèses faites sur la compressibilité de l’écoulement. Des exemples d’applications sont proposés dans des situations d’écoulements à faible nombre de Mach ou, à l’inverse, dans des situations d’écoulements compressibles. La dernière partie de ce manuscrit aborde la question de la modélisation de la com- bustion turbulente. Des stratégies de modélisations sont proposées et illustrées par les simulations numériques d’une grande variétés de systèmes de combus- tion. Table des matières 1 Introduction 9 2 Tabulation de la cinétique chimique 13 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Coordonnées principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 La fraction de mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Variables d’avancement de réaction . . . . . . . . . . . . 17 Variable d’avancement de réaction pour capturer la zone de gradients thermiques . . . . . . . . . . . . 17 Variable d’avancement de réaction pour des temps très rapides : exemple de l’auto-allumage . . . . . . 18 Variable d’avancement de réaction pour les échelles de temps lentes : exemple de la formation des oxydes d’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 Capture des échanges thermiques par l’enthalpie ou l’éner- gie interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Génération des tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1 Modélisation des ﬂammes prémélangées et partiellement prémélangées par la méthode FPI . . . . . . . . . . . . 23 Flame Prolongation of ILDM . . . . . . . . . . . . . . . 23 Domaine de validité de la méthode FPI . . . . . . . . . 25 Prise en compte des pertes thermiques . . . . . . . . . . 29 2.3.2 Tables thermochimiques pour la modélisation des chambres de combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Prédiction de l’auto-allumage par une méthode de tabu- lation de la cinétique chimique . . . . . . . . . 36 Validations 0-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.3 Tables thermochimiques pour la combustion non prémé- langée diluée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Enjeux de la combustion diluée . . . . . . . . . . . . . . 40 6 TABLE DES MATIÈRES Etude d’une conﬁguration simpliﬁée . . . . . . . . . . . 43 Equation des ﬂammelettes instationnaires non prémélan- gées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Eﬀets de la diﬀusion diﬀérentielle . . . . . . . . . . . . . 47 Limites de l’approche et perspectives . . . . . . . . . . 48 3 Couplage des méthodes de chimie tabulée avec un écoulement 51 3.1 Ecoulements à faible nombre de Mach . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.1 Formalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.2 Exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Flammes laminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Flammes turbulentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2 Ecoulements compressibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.1 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2 Formulation TTC pour une table non-adiabatique qui tient compte des variations de pression . . . . . . . . . . 60 3.2.3 Formulation TTC pour une table non-adiabatique isobare 61 3.2.4 Formulation TTC pour une table adiabatique isobare . 62 LES d’un jet 3-D non réactif . . . . . . . . . . . . . . . 64 Flamme 1-D prémélangée . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.5 Traitement des conditions aux limites . . . . . . . . . . 67 3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4 Chimie tabulée et turbulence 69 4.1 Déﬁnition des outils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.1 Variables thermochimiques moyennées et ﬁltrées . . . . 70 4.1.2 Fonction de densité de probabilité (PDF) et fonction de de densité de ﬁltre (FDF) . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1.3 Formes présumées des PDF/FDF . . . . . . . . . . . . . 73 4.2 Modèles RANS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2.1 Equations des valeurs moyennes des coordonnées de la table chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Formulation générale . . . . . uploads/Finance/ hdr-rapport-scientifique-0.pdf