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MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES DE COMBUSTION POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE D'ÉCOULE

MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES DE COMBUSTION POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE D'ÉCOULEMENTS TURBULENTS RÉACTIFS SAMIR RIDA DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL THÈSE f RÉSENTÉE EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIB DOCTOR (P1i.D.) (GÉNIE MÉCANIQUE) Mai 1998 @ Samir Rida, 1998. National Library I * m of Canada Bibliothèque nationale du Canada Acquisitions and Acquisitions et Bibliographic Services services bibliographiques 395 Wellington Street 395, rue Wellington Ottawa ON K I A ON4 Ottawa ON K I A ON4 Canada Canada Yow file Vorre reférence Our lile Notre réUrence The author has granted a non- exclusive licence allowing the National Library of Canada to reproduce, loan, distribute or sel1 copies of this thesis in microfonn, paper or electronic formats. The author retains ownership of the copwght i n this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts fkom it may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant à la Bibliothèque nationale du Canada de reproduire, prêter, disiribuer ou vendre des copies de cette thèse sous la forme de microfiche/film, de reproduction sur papier ou sur format électronique. L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Cette thèse intitulée: MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES DE COMBUSTION POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE D'ÉCOULEMENTS TURBULENTS RÉACTIFS présentée par: RIDA Samir en vue de l'obtention du diplôme de: Philosophiæ Doctor (Ph-D.) a été dûment acceptée par le jury d'examen constitué de: M. BERNIER Michel, Ph.D., président M. CAMARERO Ricardo, Ph.D., membre et directeur de recherche M. McKENTY François, Ph.D., membre et codirecteur de recherche M. DE CHAMPLAIN Alain, Ph.D., membre M. GARON André, Ph-D., membre À la mémoire de mon grand-père Lahcen, à ma femme Selma et à mes parents. Remerciements Je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes vifs remerciements à mes directeur et codirecteur de recherche, Prof. Ricardo Carnarero et Dr. François McKenty qui n'ont ménagé ni leur temps ni .leurs efforts pour la réalisation de ce projet. Monsieur Camarero qui avait auparavant dirigé mon projet de maîtrise a su établir, de manière efficace et pertinente, une continuité à mes travaux de recherche. Son admirable attention et son soutien m'ont particulièrement aidé à mener à terme cette étude. Monsieur McKenty dont la compétence n'a d'égal que son dévouement m'a fait profité de sa grande expérience en combustion grâce à laquelle j'ai pu évoluer rapidement et efficacement dans la mise en oeuvre de ce travail. NOS fréquentes disciissions ct ses excellents conseils ont été à la base de l'originalité de ce projvt. Je remercie les f rofesseurs André Garon et Marcelo Reggio pour leur aide occasion- nelle et précieuse. Je souligne aussi l'esprit amical dans lequel j'ai travaillé ë. l'École Polytechnique et au CERCA (Centre de recherche en calcul appliqué). À ce propos, je voudrais souhaiter à mes collègues et mes amis, Roberto Marrano, Marie-Isabelle Farinas, Serge Didier Eby, Luc Grave1 et Juan Abanto Florida une agréable conti- nuation et du succès dans leur carrière. Je voudrais remercier messieurs les membres du jury d'avoir accepté de juger ce travail. Leurs commentaires judicieux ont contribué a l'amélioration du contenu de cette thèse. Enfin, le soutien inconditionnel et continu de ma femme Selma ainsi que les encou- ragements et le support de mes parents ont été essentiels. La rhalisation de cet ouvrage n'aurait pas été possible sans eux. Je leur vn suis éternellement reconnaissant. Résumé Dans cette étude, on étudie la simulation numérique d'écoulements turbulents réactifs en atmosphère confinée. La modélisation des phénomènes de combustion a été ap- pliquée à des flammes de diffusion de combustibles monophasiques gazeux en utilisant trois modèles éprouvés et un nouveau modèle développé pour cette étude. II s'agit des modèles de combustion à chimie infiniment rapide, d'équilibre chimique et de micro- flammes qui forment la librairie CMBLIB et du récent modèle hybride. Pour tenir compte de l'influence de la turbulence sur la structure de la flamme et sur le taux de réaction, une pondération par fonctions de densité de probabilité Beta et Delta est adoptée. La turbulence est modélisée par le modèle k - c standard avec loi de paroi et, le schéma numérique utilisé consiste en une méthode de volumes finis d'ordre un. Les équations de base sont prises en formulation primitive et discrétisées sur des maillages non structurés pour des géométries bidimensionnelles planes ou axisymétriques Le schéma numérique est utilisé dans le contexte des volumes finis avec des maillages décalés non structurés. La fonction d'interpolation du terme convectif est basée sur une extension de la méthode de Skewed Mass-Wezghted Upwinding aux maillages triangulaires. Un point important de ce travail consiste à juger l'aptitude de ce schéma à bien prédire les écoulements turbulents réactifs. viii Dans cette étude, il s'agit aussi de bien modéliser l'interaction turbulence-réaction. Du côté du modèle k - r, une loi de paroi à deux échelles de vitesse est introduite pour améliorer le transfert de chaleur pariétal qui est biaisé avec la loi de paroi au profil universel. Du côté de la pondération, une procédure k - c/PDF est développée pour optimiser et améliorer la précision de l'intégration des PDF. Un autre point important de ce travail concerne la correction du comportement aber- rant du modèle d'équilibre chimique dans certaines conditions de réaction. Ce com- portement ne constitue pas une erreur du modèle mais représente une avenue irréaliste dans le contexte actuel. En effet, ce modèle a tendance à former des hydrocarbures à partir d'atomes libres de carbone et d'hydrogène ou à dissocier du dioxyde de car- bone pour des mélanges riches. Une variante du modèle d'équilibre avec contraintes d'inégalité sur les espèces critiques est développée pour remédier à ces comportements irréalistes. Un aspect nouveau de cette étude réside dans 1'sméIioration de la prédiction des pol- luants. Le modèle de micro-flammes, reconnu pour sa précision, est dédie seulement. à la combustiori du méthane pur. Pour pallier cette liniiiat ion. iiii ~iio(Ifiit* Ii.I)i.iclc~ PSI développé en combinant cinétique de réaction et éqtiililrrc* ( . I i i r i i i ( j ~ i t - i i f i r i ci'iitiii*lioi.c~i. la prédiction du monoxyde de carbone pour n'irnportci qii(!I tiy(frorïirliiir.i.. En ~ i i l i ~ . le nombre d'espèces est augmenté de 8 à 55 dans la librairie CMBLIB pour élargir It! spectre d'applications à des combustibles de composition variée. Le schéma numérique et le modèle de turbulence ont d'&bord été validés pour des écoulements isothermes. La concordance avec les mesures expérimentales provenant de la littérature a été bonne et la différence entre les résultats obtenus avec les deux lois de paroi a été très marginale pour ce type d'écoulement. La procédure de calcul a ensuite été appliquée aux écoulements turbulents réactifs afin de comparer les quatïe modèles de combustion. La bonne performance du modde de micro-flammes a été confirmée pour les fiammes de méthane. Le problème de la qualité de prédiction du monoxyde de carbone a été résolu par l'introduction du modèle hybride. Ce dernier a comblé les lacunes du modèle d'équilibre chimique concernant la surestimation de monoxyde de carbone et du modêle à chimie infiniment rapide qui ignorait totalement ce polluant. Dans le cas de flammes de méthane, le modèle hybride a donné des résultats très comparables à ceux du modèle semi-empirique de micro-flammes. La comparaison des prédictions des quatre modèles avec des mesures expérimentales et des calculs puisés dans la littérature a été en général bonne. La loi de paroi à deux échelles de vitesse s'est avérée efficace en améliorant les profils de température dans le cas d'écoulements turbulents réactifs avec transfert de chaleur pariétal. L'interaction turbulence-combustion a été optimisée et la procédure k - e/PDF a permis de réduire le temps de calcul de plusieurs ordres de grandeur avec une précision de calcul compa- rable à celle de la méthode Monte Carlo/PDF. En ce qui concerne le modèle hybride, il n'a pas été possible de pondérer les résultats étant donné le caractère birnodal de la fonction de pondération P( J, m,.) dont la forme est inconnue. + Abstract In this study, the numerical simulation of confined turbulent reactive flows is inves- tigated. Combustion modeling is applied to diffusion flames of single phase gaseous fueis using three tested rnodels and a new one developed for this study. These models are fast chemistry, chemical equilibrium and micro-flame gathered in the CMBLIB library in addition to the recent hybrid model. The influence of turbulence on the flarne structure and on the reaction rate is introduced by averaging through Beta and Delta probability density functions. Turbulence modeling is achieved by the stan- dard k - E model using wall functions and the numerical scherne used consists of a first order finite volume method. The governing equations are expressed in terms of the primitive variables formulation and discretised on unsti.uctured grids for eit,hei two-dimensional or axisymmetrical geometries. The numerical scherne is used in the context of the uploads/Ingenierie_Lourd/ 1998-rida.pdf