CE TRAVAIL PORTE SUR LA MODELISATION ET LA SIMULATION D'ECOULEMENTS REACTIFS TURBULENTS A CHIMIE NON INFINIMENT RAPIDE PAR UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE CONJOINTE. LA RESOLUTION DE L'EQUATION D'EVOLUTION TEMPORELLE DE LA PDF CONJOINTE ANALYTIQUEMENT OU NUMERIQUEMENT EST TRES COMPLEXE. EN FAIT, LE PROBLEME EST SIMPLIFIE EN INTEGRANT CETTE EQUATION DANS L'ESPACE DES VITESSES. ON OBTIENT AINSI UNE APPROCHE HYBRIDE PROBABILISTE EULERIENNE LAGRANGIENNE. UNE METHODE DE MONTE-CARLO EST UTILISEE ENSUITE, POUR SIMULER CETTE EQUATION. DANS CETTE EQUATION, LE PHENOMENE DE MELANGE A PETITE ECHELLE DOIT ETRE REPRESENTE PAR UN MODELE. LA COMPARAISON D'UN NOUVEAU MODELE DE MELANGE AVEC DES MODELES CLASSIQUES D'ECHANGE AVEC LA MOYENNE A ETE FAITE DANS LE CAS D'UNE COUCHE DE MELANGE THERMIQUE ET DANS LE CAS D'UNE COUCHE DE MELANGE REACTIVE. LES RESULTATS DES CALCULS SONT ENCOURAGEANTS. LA POSSIBILITE DE L'APPLIQUER A DES CONFIGURATIONS INDUSTRIELLES COMPLEXES 2D AXISYMETRIQUE (LE BLUFF-BODY) ET 3D (CHAMBRE DE COMBUSTION DEXTRE) EST DEMONTREE
Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l'implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d'atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d'atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d'abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l'atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d'ultérieurs travaux.
This book highlights recent research advances in the area of turbulent flows from both industry and academia for applications in the area of Aerospace and Mechanical engineering. Contributions include modeling, simulations and experiments meant for researchers, professionals and students in the area.
CE TRAVAIL DE THESE PORTE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES ET TURBULENTS AUTOUR D'ARRIERE-CORPS. POUR CELA, NOUS CONSIDERONS LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES COMPLETEES PAR UN MODELE DE TURBULENCE. LES MODELES ALGEBRIQUES DE TYPE LONGUEUR DE MELANGE SONT LES PLUS SIMPLES, MAIS LES RESULTATS OBTENUS AVEC DE TELS MODELES SONT EN GENERAL PEU SATISFAISANTS POUR DES ECOULEMENTS COMPLEXES PRESENTANT DE GRANDES ZONES DE RECIRCULATION. DE PLUS, CES MODELES REQUIERENT UNE EVALUATION DE DISTANCES A LA PAROI, CE QUI PEUT PRESENTER UNE CERTAINE DIFFICULTE POUR DES CONFIGURATIONS D'ARRIERE-CORPS AVEC TUYERE ET CULOT. EN CONSEQUENCE, NOUS AVONS MIS EN UVRE UN MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT PLUS ADAPTE A LA PHYSIQUE DE L'ECOULEMENT. NOUS AVONS TOUT D'ABORD CONSIDERE UN MODELE AVEC INTEGRATION JUSQU'A LA PAROI A SAVOIR LE MODELE K - DE JONES-LAUNDER. CE MODELE PRESENTE L'AVANTAGE QUE LES FONCTIONS INTRODUITES POUR TENIR COMPTE DES EFFETS DE PROCHE PAROI DEPENDENT UNIQUEMENT DU NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT ET NON DE DISTANCES A LA PAROI. AINSI, LE MODELE DE JONES-LAUNDER EST BEAUCOUP PLUS FACILE A APPLIQUER POUR DES CONFIGURATIONS D'ARRIERE-CORPS. NOUS NOUS SOMMES ENSUITE INTERESSE AUX LOIS DE PAROI. CELLES-CI PERMETTENT DE DECRIRE ANALYTIQUEMENT L'ECOULEMENT MOYEN ET LES GRANDEURS TURBULENTES AU VOISINAGE D'UNE PAROI ET AUTORISENT AINSI UNE TAILLE DE MAILLE A LA PAROI NETTEMENT PLUS IMPORTANTE QUE DANS UN CALCUL AVEC INTEGRATION JUSQU'A LA PAROI
LE FORMALISME DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (LES) POUR L'ETUDE DES ECOULEMENTS TURBULENTS EST PRESENTE. DES TESTS, EN CONFIGURATION DE TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE ET DE COUCHE DE MELANGE TEMPORELLE, METTENT EN EVIDENCE LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE VISCOSITE TURBULENTE VIS-A-VIS DE LA DISSIPATION GENEREE PAR LES CORRECTEURS DE FLUX DU SCHEMA PPM. UNE SOLUTION EST PROPOSEE PERMETTANT D'EVITER UNE DISSIPATION NUMERIQUE TROP IMPORTANTE POUR LES ECOULEMENTS EN TURBULENCE DEVELOPPEE ET D'EVITER LE DEVELOPPEMENT D'INSTABILITES NUMERIQUES DUES AUX CONDITIONS INITIALES. LES MODELES DE MELANGE SOUS-MAILLE SPECIFIQUES AUX ECOULEMENTS REACTIFS SONT ENSUITE PRESENTES. DEUX APPROCHES SONT EN PARTICULIER RETENUES. UNE APPROCHE STOCHASTIQUE, PERMETTANT DE RECONSTRUIRE JUSQU'AUX PLUS PETITES ECHELLES L'EVOLUTION D'UN CHAMP DE SCALAIRE : LE LEM (LINEAR EDDY MODEL). ON MONTRE QUE CETTE APPROCHE PERMET EN PARTICULIER DE REPRODUIRE DES LOIS D'ECHELLES OBSERVEES DANS LES EXPERIENCES ET S'ECARTANT DES THEORIES CLASSIQUES DU MELANGE. PUIS UNE APPROCHE PROBABILISTE OU LA STRUCTURE DU CHAMP A PETITE ECHELLE EST PRESUMEE A PARTIR D'UNE FONCTION DE DENSITE DE PROBABILITE. CETTE DERNIERE APPROCHE NECESSITE LA MODELISATION DE LA VARIANCE SOUS-MAILLE DE LA FRACTION DE MELANGE. POUR CELA, UNE NOUVELLE MODELISATION EST PRESENTEE, PERMETTANT DES SIMULATIONS LES SANS PARAMETRES AJUSTABLE. CE MODELE EST VALIDE PAR DES TESTS A PRIORI A PARTIR DE SIMULATIONS LEM A GRANDS NOMBRES DE REYNOLDS, PUIS PAR DES SIMULATIONS DE COUCHE DE MELANGE TEMPORELLE REACTIVE. DANS CE DERNIER CAS, LES RESULTATS OBTENUS LORS DES PHASES DE TRANSITION ET DE TURBULENCE DEVELOPPEES SONT COMPARES AUX EXPERIENCES DE LA LITTERATURE. ON MONTRE QUE LES QUANTITES DE PRODUITS SONT CORRECTEMENT REPRESENTEES PAR LE MODELE SOUS-MAILLE DE MELANGE. CES SIMULATIONS PERMETTENT DE METTRE EN EVIDENCE LES MECANISMES DE LA TRANSITION DE MELANGE ET LE ROLE DES TOURBILLONS LONGITUDINAUX.
