Luc-Henry Dorey 3 ème année DEFA/PRA Bourse ONERA

1. Modélisation de la formation des suies et du couplage avec le rayonnement dans les foyers aéronautiques Directeur de thèse: Francis Dupoirieux (DEFA/PRA) Encadrants ONERA: Lionel Tessé Nicolas Bertier Luc-Henry Dorey 3ème année DEFA/PRA Bourse ONERA

2. Plan • Positionnement du problème • Contexte • Objectifs scientifiques • Démarche de la thèse • Modélisation de l’écoulement dans la chambre TLC (Towards Lean Combustion) • Description de la configuration • Paramètres et modèles utilisés • Résultats: • Apport de la cinétique réduite corrigée • Comparaison RANS – LES • Comparaison avec les mesures expérimentales • Prise en compte du rayonnement • Conclusions et perspectives • Publications et modules de formation suivis

3. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Contexte • Les suies sont des particules indésirables : • Nanoparticules nocives pour la santé • Principal précurseur des traînées de condensation • Dans les chambres de combustion :

4. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Objectifs de la thèse • Calculer les transferts thermiques dans les chambres de combustion, notamment aux parois • Prédire les niveaux des émissions polluantes des moteurs

5. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Démarche de la thèse • Modélisation de la formation des suies : • Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique • Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le modèle semi-empirique de Leung • Couplage combustion – rayonnement : • Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de rayonnement Monte Carlo ASTRE • Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE • Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE • Application de la stratégie de modélisation à la chambre TLC • Nouveau concept de chambre « basses émissions » doté d’un injecteur multipoint à swirl SNECMA • L’un des foyers le mieux instrumenté en Europe (banc M1) • Mesures DRASC de température (DMPH) • Mesures de vapeur de kérosène et de radical OH par PLIF (DMPH) • Mesures de fractions volumiques de suies dans la chambre par LII (DLR) • Mesures de fractions volumiques de suies en sortie par prélèvement (DLR) • Caractérisation de la phase dispersée à froid (DMAE)

6. Application de la stratégie de calcul:la chambre TLC

7. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Configuration de la chambre TLC • Domaine de calcul :

8. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Configuration de la chambre TLC • Domaine de calcul et conditions aux limites : Injection axiale (film de refroidissement) Injection collerette radiale Rangée de vrilles radiales 2 rangées de vrilles axiales contrarotatives

9. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Paramètres numériques • Maillage utilisé (conçu pour la LES) : • 3 millions de tétraèdres • Cellules de 0,6 mm de « diamètre » dans la zone de flamme • Injection diphasique de kérosène par deux circuits

10. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Caractéristiques de la simulation • Point de fonctionnement : • Régime intermédiaire (phase de vol : approche) • Pression chambre : 9,5 bar • Température de l’air en entrée : 592 K • Injection du fuel à 50% par le multipoint et à 50% par le pilote • Chaîne de calcul CEDRE • Solveur CHARME (gaz) • Solveur SPARTE (phase dispersée en approche lagrangienne) • Solveur ASTRE (rayonnement) • Modèles et schémas numériques • Cinétique Arrhenius corrigée à 2 étapes et 6 espèces • Pour le RANS : modèle k-l et pas de temps de 10-6 s. • Pour la LES : modèle TFLES et pas de temps de 5.10-7 s. • Phase dispersée : fragmentation secondaire à Weber 12 • Schéma d’intégration temporelle Euler implicite

11. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Comparaison RANS - LES • Champ de température (K) RANS LES (champ moyen)

12. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Comparaison RANS - LES • Champ de vitesse axiale (m.s-1) RANS LES (champ moyen)

13. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Comparaison RANS - LES • Champ de vitesse transversale (m.s-1) RANS LES (champ moyen)

14. Régimes de combustion • Critère de Takeno corrélé au taux de réaction:

15. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Topologie 3D de l’écoulement • Evolution temporelle du champ de température et de taux de disparition de combustible • Topologie du champ de gouttes de kérosène liquide • Evolution temporelle des jets de gouttes de kérosène liquide • Topologie de la flamme et de sa richesse.

16. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience • Profils de température : emplacements des mesures

17. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience

18. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Confrontation avec l’expérience • Fraction volumique de suies (échelle arbitraire) LES (champ moyen) mesures LII

19. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Calcul du rayonnement • Stratégie utilisée : • Le même maillage est utilisé pour le calcul de l’écoulement et pour celui du rayonnement. • Restriction du domaine de calcul : • Utilisation de la nouvelle fonctionnalité « domaines utilisateurs » de CEDRE domaine dans lequel le rayonnement est calculé domaines dans lesquels le rayonnement n’est pas calculé

20. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Calcul du rayonnement • Premiers résultats sur un champ instantané LES • Puissance radiative (W.m-3) :

21. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Conclusions et perspectives • Améliorations apportées à la simulation de la combustion : • Cinétique corrigée qui permet de ne pas brûler à richesse trop élevée. • Approche LES améliorant la modélisation du mélange entre le kérosène gazeux et l’air. • Comparaison du calcul aux mesures expérimentales : • Les profils de température se rapprochent de l’expérience grâce aux améliorations apportées. • La topologie de la répartition des suies dans la chambre est bien reproduite. • Pistes d’amélioration des résultats : • Application de la méthodologie sur la géométrie définitive de l’injecteur ayant servi aux mesures. • Prise en compte de l’effet du rayonnement sur la combustion par la réalisation d’un calcul couplé LES – rayonnement.

22. Publications et formations suivies • Publications dans des journaux à comité de lecture • En cours de rédaction : • Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, Soot formation and radiative transfer modelling in laminar premixed flames. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. • Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Assessment of RANS and LES approaches in a multi-point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. • Prévues : • Article en fin de thèse sur les résultats du couplage LES – rayonnement. • Communications dans des congrès • SFT 2009 (Société Française de Thermique). Simulation numérique des transferts couplés conduction-rayonnement au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel • CIFEM 2010 (Colloque International Francophone d’Energétique et Mécanique). Modélisation et simulation numérique des transferts conductif et radiatif au cours des procédés de formage du verre. L.-H. Dorey, L. Tessé, A. Roos, F. Feyel • IHTC-14 (International Heat Transfer Conference), 2010. A strategy for modeling soot formation and radiative transfer in turbulent flames. L.-H. Dorey, L. Tessé, N. Bertier, F. Dupoirieux • ODAS 2011 (Onera-DLR Aerospace Symposium). Combustion and soot formation modelling in a multi-point combustion chamber. L.H. Dorey, N. Bertier, L. Tessé, F. Dupoirieux. • Formations suivies • Anglais (Ecole Centrale) • Programmation parallèle MPI – OpenMP (CCRT) • Rédaction du mémoire de thèse (ONERA)

23. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Démarche de la thèse • Modélisation de la formation des suies : • Evaluation de deux modèles empirique et semi-empirique • Choix porté sur le modèle empirique de Tesner-Magnussen moins coûteux que le modèle semi-empirique de Leung • Particules formées à partir d’un précurseur issu de la décomposition du combustible • Intégration de deux équations de transport supplémentaires • Particules supposées sphériques et de taille constante • Couplage combustion – rayonnement : • Couplage entre le solveur aérothermochimique CHARME de CEDRE et le solveur de rayonnement Monte Carlo ASTRE • Couplage interne par intégration de ASTRE dans CEDRE • CHARME, parallélisé par domaines géométriques, transmet les champs de température et de fractions molaires d’espèces et de suies à ASTRE. • ASTRE, parallélisé par chemins optiques, transmet les puissances radiatives à CHARME. • Optimisations pour diminuer la consommation mémoire de ASTRE • Plus de calculs pour moins de stockage • Réduction du calcul du rayonnement à la zone d’intérêt • Allocations progressives pour réduire les pics d’occupation mémoire

24. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Calculs RANS • Modifications apportées par la cinétique corrigée (PEA) Richesse équivalente des gaz frais Taux de dégagement de chaleur (J.m-3.s-1)

25. Introduction Modèles et méthodes Résultats Conclusion Comparaison RANS - LES • Champ de fraction massique de suies RANS LES (champ moyen)