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HAL Id: tel-01310811 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01310811 Submitted on 3 May 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Analyse et amélioration d’une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles Pierre Benard To cite this version: Pierre Benard. Analyse et amélioration d’une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. INSA de Rouen, 2015. Français. NNT : 2015ISAM0018. tel-01310811 THÈSE présentée par Pierre BENARD pour l’obtention du grade de Docteur de l’Institut National des Sciences Appliquées de Rouen Discipline : Énergétique Spécialité : Mécanique des Fluides Formation doctorale : Sciences Physiques, Mathématiques et de l’Information pour l’Ingénieur Laboratoire d’accueil : UMR-CNRS-6614-CORIA Analyse et amélioration d’une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles soutenue le 8 octobre 2015 Membres du jury : Rapporteurs : Nasser Darabiha Professeur, EM2C, Ecole Centrale Paris Arnaud Mura Directeur de Recherche CNRS, PPRIME, ENSMA Poitiers Examinateurs : Xue-Song Bai Professeur, Université de Lund (Suède) Fabio Cozzi Assistant Professor, Politecnico di Milano (Italie) Vincent Giovangigli Directeur de Recherche CNRS, CMAP, Ecole Polytechnique Paris Christophe Goupil Professeur, LIED, Université Paris Diderot Directeurs de thèse : Yves D’Angelo Professeur, CORIA, INSA de Rouen Vincent Moureau Chargé de Recherche CNRS, CORIA, INSA de Rouen 2 3 Résumé : Analyse et amélioration d’une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles Réaliser un système de combustion à petite échelle reste aujourd’hui un déﬁ. L’augmentation du rap- port surface/volume favorise les pertes thermiques, contribue à la diminution du temps de séjour et limite la turbulence. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques intervenant dans un brûleur centimétrique tourbillonnaire de 8×10×8 mm3 et mettre au point des outils numériques adaptés. L’écoulement réactif méthane/air est étudié au moyen de simulations numériques LES. La com- bustion ne consomme pas l’intégralité du carburant, entraînant un rendement de combustion de l’ordre de 50% et d’importantes émissions de polluants. Le deuxième objectif est d’adapter les performances de ce brûleur. L’enrichissement en hydrogène a montré une amélioration sensible du rendement et une réduction des émissions polluantes. Plusieurs conﬁgurations géométriques de la chambre ont aussi été étudiées, ce qui a permis de dégager des axes d’améliorations. Mots-clés : Mesocombustion, Simulations aux grandes échelles, chimie complexe, enrichissement en hydrogène Abstract : Analysis and improvement of a centimetric burner by Large-Eddy Simulations Designing a meso-scale combustion system remains a challenging scientiﬁc and technological issue. Increasing the surface-to-volume ratio promotes wall heat losses, reduces the residence time and turbu- lence intensity. The main objective of this thesis is to understand the physical phenomena involved in the centimetre-sized asymmetric whirl cubic burner of 8 × 10 × 8 mm3 and develop speciﬁc adapted numerical tools. The methane/air reactive ﬂow is studied using detailed LES. While fuel and air are in- jected separately, combustion takes place in the premixed regime. However combustion is far from being complete, causing low combustion efﬁciency and signiﬁcant emissions of pollutants. The second objec- tive is to adapt in the best possible way the performances of this burner. Hydrogen enrichment of the fuel mixture showed signiﬁcant efﬁciency enhancement and reduced pollutant emissions. Several other combustor geometries are also studied, paving the way for future improvement. Keywords : Mesocombustion, Large-Eddy Simulation, Complex Chemistry, Hydrogen Enrichment 4 Remerciements Ce manuscrit est l’achèvement de trois ans et demi de travaux de recherche. Par ces lignes, je tiens à remercier celles et ceux qui m’ont permis d’accomplir cette entreprise. Tout d’abord, je remercie Nasser Darabiha et Arnaud Mura d’avoir accepté la charge de rapporteurs de cette thèse et l’ensemble des autres membres du jury pour avoir fait le déplacement jusqu’à Rouen à l’occasion de ma soutenance et jugé la qualité de mon travail. Je tiens spécialement à remercier Fabio Cozzi pour son éclairage d’expérimentateur, sa gentillesse et son accueil lors d’une semaine de travail à Milan. Cette thèse s’est déroulée au laboratoire CORIA. Je remercie tout naturellement le directeur du labo- ratoire, Mourad Boukhalfa, ainsi que tous les personnels techniques et administratifs pour leur service et leur sympathie tout au long de ces années. Pour m’avoir accepté en thèse et transmis une partie de son savoir, je remercie sincèrement mon directeur de thèse, Yves D’Angelo. Merci d’avoir cru en moi, de m’avoir permis de travailler en toute liberté et en toute conﬁance, de m’avoir fait progresser dans de nombreux domaines. Cette thèse a été aussi l’occasion pour moi de présenter mes résultats lors de nombreuses conférences, ce qui a été enri- chissant à tous points de vue. Merci aussi pour cela. Ces années n’auraient pas été les mêmes sans l’encadrement de deux grandes personnes : Vincent Moureau et Ghislain Lartigue. Merci Vincent pour ton encadrement, ta gentillesse et tes conseils avi- sés. J’ai toujours senti ton soutien, source de motivation évidente pour donner le meilleur de soi. Merci Ghislain, grand génie logiciel devant l’éternel, de répondre toujours présent quand on en a besoin. Ton aide et ton talent ont été précieux pour résoudre mes nombreux problèmes et questions ( ◦ w ? ?). C’était, et c’est toujours, un plaisir de travailler avec vous deux dans cette équipe YALES2. À vous ma sincère reconnaissance. La bonne ambiance vécue au sein du groupe a été permise grâce aux thésards avec qui j’ai partagé plus ou moins de temps. Donc merci aux plus anciens : Jon, Xavier, Pec, Guimch, Mathias, Suresh, Nicolas, Benjamin, Chloé, Marianne. Un message particulier pour Catherine avec qui j’ai longtemps partagé le bureau et qui m’a beaucoup aidé en début de thèse. Viennent ensuite les doctorants de ma génération. Merci Lisa pour ta bonne humeur et tes connaissances sur la science du cheveu. Merci Lola pour ta (moins) bonne humeur (encore une trahison ?). Compagne de bureau, de course, de voiture (etc.), c’était un réel plaisir de partager ces moments. Merci Ben et Hasnae pour les nombreux moments passés ensemble à Rouen et ailleurs. Viennent ensuite les plus jeunes de l’équipe, Dorian, Nico, Bastien, Eu- 6 rielle, Thomas, et les encore plus jeunes Lancelot, Hakim, Nico, Yann mon stagiaire préféré, Umut. Bon courage pour vos thèses ! Merci aussi aux inclassables : Pradip, Alvin, Alex, David, Carlo... Je tiens à tous vous remercier pour les nombreuses discussions, réunions, formations, conférences, pauses cafés, soirées, vacances partagés ensemble. Pour ﬁnir, je remercie profondément toute ma famille et notamment mes parents et ma soeur pour leur présence et leurs encouragements tout au long de cette aventure. Merci aussi à mes amis caennais pour leur soutien sans faille, surtout ceux venus subir ma soutenance : Flo, Mat’, Clem, Emeu et Estelle. Vous avez été une source de distraction indispensable pendant ces 3 ans. Enﬁn, je remercie cette thèse d’avoir mis sur ma route des personnes qui comptent pour moi aujourd’hui et avec qui d’autres aventures sont à vivre. 7 Table des matières 1 Contexte et objectifs de la thèse 13 1.1 Contexte industriel et développement de la combustion à petite échelle . . . . . . . . . . 13 1.2 Expertise du CORIA sur la mésocombustion et projet MESOTHERM . . . . . . . . . . 16 1.3 Objectifs de la thèse et plan du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Etat de l’art de la mésocombustion 20 2.1 Déﬁnition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Avantages et inconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Problématiques de la mésocombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1 Problèmes thermophysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.2 Problèmes thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.3 Problèmes liés à la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Science et Technologie/ benard.pdf