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HAL Id: tel-01128246 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01128246 Submitted on 9 Mar 2015 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. Etude numérique de la combustion turbulente du prémélange pauvre méthane/air enrichi à l’hydrogène Abdelbaki Mameri To cite this version: Abdelbaki Mameri. Etude numérique de la combustion turbulente du prémélange pauvre méthane/air enrichi à l’hydrogène. Autre. Université d’Orléans, 2009. Français. NNT : 2009ORLE2060. tel- 01128246 1 UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES LABORATOIRE ICARE, CNRS ORLEANS THÈSE présentée par : Abdelbaki MAMERI Soutenue le : 15 décembre 2009 Pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans Discipline : MÉCANIQUE ET ÉNERGÉTIQUE ETUDE NUMERIQUE DE LA COMBUSTION TURBULENTE DU PREMELANGE PAUVRE METHANE/AIR ENRICHI A L’HYDROGENE THÈSE dirigée par : M. Iskender GOKALP Directeur de recherche C.N.R.S, ICARE Orléans M. Brahim SARH Professeur des Universités, Université d’Orléans RAPPORTEURS : Jean-Michel MOST Directeur de recherche C.N.R.S, LCD Poitiers Gilles CABOT Maître de conférences, Université de Rouen ___________________________________________________________________ JURY : M. Jean-Michel MOST Directeur de recherche C.N.R.S, LCD Poitiers Président de jury, rapporteur M. Gilles CABOT Maître de conférences, Université de Rouen Rapporteur M. Iskender GOKALP Directeur de recherche C.N.R.S, ICARE Orléans Examinateur M. Brahim SARH Professeur des Universités, Université d’Orléans Examinateur ii Dédicaces A la mémoire de ma mère A mon père A ma femme, mes filles, A, mon frère et ma sœur, A tous ceux qui ont contribués de près ou de loin dans ce travail. iii REMERCIMENTS Je tiens à remercier mes encadreurs Mr Iskender GOKALP et Mr Brahim SARH de m’avoir aidé et soutenu tout le long de cette étude, je remercie également Mr Jean-Michel MOST et Mr Gilles CABOT d’avoir acceptés d’être parmi les membres de jury d’évaluation de la thèse. Je remercie aussi L’équipe de l’ICARE CNRS d’Orléans qui m’a accueilli et permis de faire mes calculs sur le logiciel CFX du laboratoire. Finalement, je remercie toute personne ayant participé de près où de loin dans l’élaboration de ce travail. iv RESUME L’enrichissement des hydrocarbures par l’hydrogène permet d’améliorer les performances de la combustion pauvre (augmentation de la réactivité, résistance à l’étirement, stabilité, réduction des polluants, …). Il est primordial de connaitre les caractéristiques de la combustion de ces combustibles hybrides dans différentes conditions, afin de pouvoir les utiliser d’une manière sûre et efficace dans les installations pratiques. L’approche expérimentale reste coûteuse et limitée à certaines conditions opératoires. Cependant, le calcul numérique peut constituer la solution la plus adaptée, compte tenu du progrès réalisé dans le domaine de l’informatique et de la modélisation. Dans ce contexte, ce travail que nous avons effectué à l’ICARE (Institut de Combustion, Aérothermique et Réactivité, CNRS Orléans) vise à compléter les résultats des essais expérimentaux. Les effets de la richesse du mélange et l’ajout de l’hydrogène sur la structure et la formation des polluants sont étudiés dans ce travail. L’augmentation de la richesse du combustible permet de stabiliser la flamme, mais augmente la température et produit plus de CO, CO2 et NOx. Par contre, l’addition de H2 augmente l’efficacité du mélange, stabilise la flamme avec une légère élévation de la température maximale et une diminution des fractions massiques de CO, CO2 et NOx. Le remplacement d’une fraction de 10% où même 20% du gaz principal par l’hydrogène améliore les performances des installations et ne nécessite aucune modification sur les systèmes de combustion. MOTS CLES Combustion turbulente, Combustion prémélangée, enrichissement par l’hydrogène, Chimie détaillée, modèle EDM, modèle TFC. v ABSTRACT Fuel blending represents a promising approach for reducing harmful emissions from combustion systems. The addition of hydrogen to hydrocarbon fuels affects both chemical and physical combustion processes. These changes affect among others flame stability, combustor acoustics, pollutant emissions and combustor efficiency. Only a few of these issues are understood. Therefore, it is important to examine these characteristics to enable using blend fuels in practical energy systems productions. The experimental approach is restricted in general to specific operating conditions (temperature, pressure, H2 percentage in the mixture, etc.) due to its high costs. However, the numerical simulation can represent a suitable less costly alternative. The aim of this study done at ICARE is to complete the experiments. Equivalence ratio and hydrogen enrichment effects on lean methane/air flame structure were studied. The increase of the equivalence ratio, increases flame temperature and stability but produces more CO, CO2 and NOx. Hydrogen blending, increases flame stability and reduces emissions. The replacement of 10% or 20% of the fuel by hydrogen enhances installation efficiency with no modifications needed on the combustion system. KEY WORDS Turbulent combustion, premixed combustion, hydrogen blending, detailed chemistry, EDM, TFC model. vi Chapitre I Introduction et synthèse bibliographique 1 Chapitre II Equations de conservation pour les écoulements réactifs laminaires 1) Introduction 10 2) Variables de la thermochimie 10 3) Equations de conservation de masse et d'espèces 12 4) Equations de la quantité de mouvement 12 5) Equation de la conservation d’énergie 13 6) Cinétique chimique 13 7) Facteurs stœchiométriques 14 8) Conclusion 15 Chapitre III Echelles caractéristiques de la turbulence et de la combustion 1) Introduction 16 2) Echelles caractéristiques de la turbulence 16 3) Echelles caractéristiques d’une flamme 19 4) Régimes de la combustion turbulente prémélangée 20 5) Diagramme de la combustion turbulente prémélangée 22 6) Conclusion 24 Chapitre IV Modélisation de la turbulence 1) Equations de Navier-Stokes moyennes 25 2) Modélisation de la turbulence 27 2.1) Simulation numérique directe 28 2.2) Simulation numérique des grandes échelles 29 2.3) Fermeture du premier ordre 29 2.3.1) Modèle k-ε 30 2.3.2) Correction de Pope 31 2.4) Fermeture du second ordre 32 3) Conclusion 33 Chapitre V Modélisation de la combustion turbulente prémélangée 1) Introduction 34 2) Variable d’avancement de la réaction 35 3) Fraction de mélange 36 4) Modèles contrôlés par la turbulence 38 4.1) Modèle Eddy Break UP 38 4.2) Modèle EDM dans le code Ansys CFX 39 4.2.1) Amélioration du modèle EDM par la fonction d’efficacité de la 40 combustion 4.3) Modèles de fonction de densité de probabilité 41 4.3.1) Approche par la PDF présumée 42 4.3.2) Approche par la PDF transportée 44 4.4) Modèles BML 45 vii 4.5) Modèles des flammelettes 47 4.5.1) Concept des flammelettes laminaires 47 4.5.2) Equation de la flammelette laminaire 48 4.5.3) Couplage de la flammelette laminaire et du champ turbulent 51 4.5.4) Génération des bibliothèques des flammelettes 52 4.6) Modèle de la vitesse de la flamme turbulente TFC 53 4.6.1) Variable d’avancement de la réaction 53 4.6.2) Modélisation du taux de réaction moyen 54 4.6.3) Vitesse de la flamme turbulente 54 4.6.4) Vitesse de la flamme laminaire 58 5) Conclusion 59 Chapitre VI Méthodes numériques utilisées dans le code CFX 1) Introduction 60 2) Discrétisation des équations de l’écoulement 60 3) Traitement du couplage vitesse-pression 63 4) Terme transitoire 63 5) Fonctions de forme 64 5.1) Elément hexaédrique 65 5.2) Elément tétraédrique 65 5.3) Elément prismatique 65 5.4) Elément pyramide 66 6) Termes de diffusion 66 7) Termes de gradients de pression 66 8) Termes d’advection 67 8.1) Schéma amont (upwind) du 1er ordre 67 8.2) Schéma de correction d’advection numérique 67 8.3) schéma aux différences centrées 68 8.4) schémas d’ordre supérieur 68 9) Système d’équations couplées 68 10) Solveur couplé et stratégie de la solution 69 10.1) Solution générale 70 10.2) Solution du système d’équations linéaires 71 10.3) Procédure de normalisation des résidus 71 11) Conclusion 71 Chapitre VII Résultats du calcul numérique 1) Dispositif expérimental 72 1.1) La chambre de combustion 72 1.2) Le brûleur 73 2) Modélisation de la chambre de combustion 74 2.1) Géométrie de la chambre 74 3) Etude numérique du jet d’air turbulent dans la chambre de combustion 74 3.1) Conditions aux limites 74 3.2) Maillage du calcul 75 3.3) Résultats de la simulation 76 viii 3.3.1) Ajustement de la correction de Pope 77 3.3.2) Cœur potentiel 78 4) Calcul de l’écoulement turbulent réactif 80 4.1) Effet de la richesse sur la flamme du méthane pure 80 4.1.1) Calcul par le modèle EDM 80 4.1.2) Calcul par le modèle TFC 87 4.1.3) Effet de la richesse sur le champ dynamique et la structure interne 87 de la flamme 4.2) Effet de l’enrichissement par l’hydrogène sur la flamme de méthane 93 4.2.1) Calcul par EDM 93 4.2.2) Calcul par TFC 96 4.2.3) Effet du dopage sur le champ dynamique et la structure interne 96 de la flamme 5) Conclusion 99 CONCLUSION GENERALE 103 ix NOMENCLATURE c Variable d’avancement de la réaction [--] Cp Chaleur spécifique à pression constante du mélange [J/(kg K)] Cpk Chaleur spécifique à pression constante de l’espèce k [J/(kg K)] Cμ, Cε1, Cε2,σk et σε Constantes du modèle k-ε [--] Dk Coefficient de diffusion de l’espèce k dans le mélange uploads/Science et Technologie/ etude-numerique-de-la-combustion-turbulente-du-premelange-pauvre-methane-air-enrichi-a-l-x27-hydrogene.pdf