Simulation aux grandes échelles d'une flamme turbulente pré-mélangée pulsée
acoustiquement. Ces résultats ont été obtenus en collaborations avec le Centre for
Turbulence Research (Stanford University) (B) Influence de la répartition de carburant sur la structure de la flamme, mesurée par fluorescence induite par laser. En haut : images instantanées, en bas : images moyennes. (C) Simulation aux grandes échelles d'un four de combustion sans flamme de laboratoire conçu et expérimenté au CORIA. Travaux obtenus en collaboration avec Gaz de France et le CERFACS. (D) Simulation LES d’une flamme diluée par des gaz brûlés.
Activités :
Le contexte énergétique et environnemental actuel motive l’amélioration des systèmes de combustion dans de nombreux secteurs tels les transports, la conversion de l’énergie ou les procédés industriels. L’écoulement turbulent dans ces configurations justifie les travaux de recherche sur ce thème.
La structure des flammes turbulentes rencontrées dans des chambres de combustion
industrielles est complexe car elle résulte d’interactions déterminantes entre la turbulence, l’injection diphasique, la cinétique chimique, l’acoustique et le rayonnement. La compréhension et la prévision de la stabilisation des flammes et de la formation des émissions polluantes s’appuient sur l’analyse théorique, la modélisation, la simulation numérique et l’expérimentation.
Ainsi, les interactions entre la cinétique chimique et la turbulence jouent un rôle prépondérant dans la stabilisation des flammes et dans la formation des polluants. Pour tenir compte de ces phénomènes, des modèles de combustion turbulente sont développés. Au travers de ces modèles, les techniques de tabulation de la cinétique chimique de type FPI (Flame Prolongation of ILDM) initialement proposées au laboratoire sont couplées aux approches RANS (« Reynolds Average Navier Stokes ») et LES (« Large Eddy Simulation »). La structure des flammes est aussi fortement dépendante des processus d’atomisation et d’évaporation des jets liquides. Des travaux sont réalisés pour modéliser l’injection diphasique dans divers types de chambres de combustion. Enfin la dynamique des flammes est fortement dépendante de la qualité du mélange entre combustible et comburant. Des études sont également menées pour développer des modèles de combustion turbulente afin de
simuler par des approches LES des flammes partiellement prémélangées. La stabilité et la dynamique de ces flammes, présentes dans les foyers de turbines aéronautiques ou de génération d’électricité de nouvelle génération sont étudiées expérimentalement et
numériquement de façon très complémentaire. Il est enfin à noter que ces études ont
également permis de démontrer l'intérêt de la stabilisation par plasma dans ces configurations avec une extension remarquable du domaine de fonctionnement du brûleur.
Etudes en cours et résultats marquants:
(1) Prise en compte de cinétiques chimiques détaillées par des méthodes de tabulation. La technique de tabulation de la cinétique chimique FPI initialement développée au laboratoire EM2C est désormais largement utilisée par de nombreux groupes de recherche. Cette méthode permet de modéliser avec précision la chimie détaillée pour de faibles coûts en termes de
temps de calcul. Des modèles de combustion turbulente adaptés à ces méthodes ont été développés pour rendre compte des interactions entre la cinétique chimique et la turbulence.
(A) Simulation LES d’une flamme jet dans un écoulement d’air vicié. Dans de nombreuses applications pratiques telles la combustion sans flamme ou la combustion dans les moteurs automobiles, les gaz frais sont dilués par des produits de combustion afin de diminuer les pics de température dans la chambre et donc la formation des oxydes d’azote. Cependant, l’effet de cette dilution sur la structure chimique des flammes turbulentes reste aujourd’hui mal connu. Ainsi l’impact des gaz brûlés sur la stabilisation des flammes a été analysé numériquement dans les conditions d’un jet réactif se développant dans un écoulement d’air vicié. Un modèle de combustion turbulente fondé sur une méthode de tabulation a été développé pour prendre en compte les phénomènes d’auto-allumage et de propagation des flammes partiellement prémélangées. Les résultats de simulations LES ont été comparés avec succès à des données expérimentales. Ces travaux ont été initiés lors du Center for Turbulent
Research Summer Program (Stanford University, 2006)
(B) Modélisation de l’allumage et de la structure chimique des flammes partiellement
prémélangées. Des travaux ont été menés afin d’améliorer la prévision des délais d’autoallumage et de la composition chimique des flammes partiellement prémélangées turbulentes qui se développent dans les moteurs diesel. Un modèle basé sur le couplage de la technique de tabulation FPI avec des fonctions de densité de probabilité présumées a été proposé. Le nouveau modèle de combustion a été testé avec succès sur des configurations de flammes laminaires (collaboration avec l’IFP).
(2) Etude de la stabilisation et de la dynamique des flammes turbulentes prémélangées pauvres. Les systèmes de combustion fonctionnant en régime pauvre et prémélangé permettent de réduire significativement le taux d’émissions polluantes. Cependant, ils sont souvent le siège de phénomènes indésirables (remontée de flamme, instabilités de combustion) qui peuvent nuire à l’intégrité du système ou à son environnement. Des études expérimentales et numériques sont menées au laboratoire afin de comprendre et de prévoir ces phénomènes.
(A) Stabilisation de flammes turbulentes prévaporisées prémélangées pauvres. La stabilisation dans un large domaine de fonctionnement représente un enjeu majeur pour les nouvelles générations de brûleurs industriels. La flamme pouvant se propager en tout point du mélange, dans les limites d'inflammabilité, elle risque de remonter jusqu'au système d'injection. On parle alors de "flashback". Il peut en résulter une dégradation prématurée, voire la destruction de l’injecteur. Une étude expérimentale et numérique d’un foyer prévaporisé prémélangé pauvre de 300 kW, a été menée à l’aide de diagnostics optiques avancés : anémométrie laser Doppler pour la mesure de tailles et de vitesses de gouttes, fluorescence induite par laser sur un traceur pour caractériser le mélange et sur le radical OH pour la structure de flamme, imagerie par caméra ultra-rapide pour la dynamique de flamme. Ces résultats d’essais ontpermis d’élaborer un scénario de stabilisation permettant de proposer des améliorations. Nous reproduisons également ce scénario par simulation aux grandes échelles, à l’aide du code de calcul AVBP (voir C-4) et des comparaisons quantitatives entre calculs et expériences ont pu être proposés.
(B) Dynamique de flamme dans un foyer prémélangé pauvre multipoint. Dans la lignée des systèmes d’injection de nouvelle génération de type prémélangé pauvre étudiés au laboratoire EM2C depuis une dizaine d’année, un injecteur multipoint expérimental a été conçu en collaboration avec le groupe SAFRAN/SNECMA. Cette nouvelle géométrie repose sur l’idée qu’une injection de combustible dans la zone de réaction permet de contrôler de façon plus globale la combustion (stabilité, émissions polluantes et sonores, etc). Afin d’optimiser son fonctionnement, une méthode de contrôle global de la combustion est développée et implantée sur le banc. Une étude détaillée du champ de vitesse dans la chambre de combustion a été menée pour différentes puissances et différentes richesses de mélange. Ce travail a été réalisé en utilisant un système novateur de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) fonctionnant à une fréquence d'acquisition élevée (12 kHz), une première mondiale (thème C-3). Ces mesures caractérisent la dynamique de l’écoulement. La structure de la flamme a également
été finement observée par fluorescence induite par laser (PLIF-OH). L’influence de la
puissance et de la répartition de carburant sur la structure et la position de la flamme ont été en particulier étudiés. Enfin, la stabilité de la chambre de combustion est examinée, et un diagramme de stabilité en fonction de la répartition en carburant est proposé. Pour la mise en place astucieuse d'un système d'amélioration de la stabilisation de flamme par plasma, le domaine de fonctionnement du brûleur a été étendu sur une large gamme de richesse. Très basses.
(C) Développement d’un modèle de combustion turbulente pour la simulation LES de
flammes prémélangées pulsées acoustiquement. Un modèle de combustion turbulente
prémélangée a été développé afin de décrire les interactions entre les échelles de la flamme, de la turbulence et de la procédure de filtrage. Le modèle couvre à la fois les régimes où le plissement de la flamme par la turbulence est résolu et ceux où la turbulence de sous maille modifie les propriétés de propagation du front de flamme filtré. La propagation de la flamme est prédite par un modèle G-equation et sa structure par la résolution d’une variable d’avancement filtrée. Le modèle a été validé sur des configurations de flamme 1D puis par le calcul 2D d’interactions flamme/tourbillon. Enfin il a permis de simuler une flamme turbulente prémélangée stabilisée derrière un dièdre et pulsée acoustiquement. Il y a un très bon accord avec les données expérimentales qui proviennent du laboratoire EM2C. (Collaboration avec Stanford University)
(3) Modélisation Eulerienne de l’injection diphasique. Dans la plupart des applications pratiques, l’injection de combustible est réalisée sous forme liquide (moteurs essence à injection directe, Diesel, foyers aéronautiques, moteurs fusée, procédés). La qualité du spray contrôle la performance et les niveaux d’émission. La modélisation de l’injection constitue, dans ce contexte, un enjeu majeur. Le calcul de la phase dispersée peut être envisagé dans un cadre Eulerien bi-fluide dans lequel les inclusions liquides sont représentées comme un milieu continu. Cette approche déjà explorée dans le cas de la combustion cryotechnique a été poursuivie dans le cas de l’injection Diesel. Le modèle à deux fluides est complété par une équation de bilan pour la densité de d’aire interfaciale. Des résultats prometteurs ont été obtenus pour des configurations représentatives de l’injection Diesel (collaboration avec l’IFP).
(4) Simulations aux grandes échelles de la combustion dans un moteur automobile. Les moteurs à combustion interne présentent des instabilités cycle à cycle (écoulement et combustion diffèrent d’un cycle à l’autre), préjudiciables à leur fonctionnement. Cesinstabilités ne peuvent pas être prédites par des simulations de type RANS qui ne fournissent qu’un cycle moyen. C’est pourquoi une modélisation de type LES, basée sur la résolution d’une équation de transport pour la densité de surface de flamme de sous maille, a été développée puis testée avec succès pour la simulation de dix cycles consécutifs (première mondiale, en partenariat avec l’IFP et le CERFACS).
acoustiquement. Ces résultats ont été obtenus en collaborations avec le Centre for
Turbulence Research (Stanford University) (B) Influence de la répartition de carburant sur la structure de la flamme, mesurée par fluorescence induite par laser. En haut : images instantanées, en bas : images moyennes. (C) Simulation aux grandes échelles d'un four de combustion sans flamme de laboratoire conçu et expérimenté au CORIA. Travaux obtenus en collaboration avec Gaz de France et le CERFACS. (D) Simulation LES d’une flamme diluée par des gaz brûlés.
Activités :
Le contexte énergétique et environnemental actuel motive l’amélioration des systèmes de combustion dans de nombreux secteurs tels les transports, la conversion de l’énergie ou les procédés industriels. L’écoulement turbulent dans ces configurations justifie les travaux de recherche sur ce thème.
La structure des flammes turbulentes rencontrées dans des chambres de combustion
industrielles est complexe car elle résulte d’interactions déterminantes entre la turbulence, l’injection diphasique, la cinétique chimique, l’acoustique et le rayonnement. La compréhension et la prévision de la stabilisation des flammes et de la formation des émissions polluantes s’appuient sur l’analyse théorique, la modélisation, la simulation numérique et l’expérimentation.
Ainsi, les interactions entre la cinétique chimique et la turbulence jouent un rôle prépondérant dans la stabilisation des flammes et dans la formation des polluants. Pour tenir compte de ces phénomènes, des modèles de combustion turbulente sont développés. Au travers de ces modèles, les techniques de tabulation de la cinétique chimique de type FPI (Flame Prolongation of ILDM) initialement proposées au laboratoire sont couplées aux approches RANS (« Reynolds Average Navier Stokes ») et LES (« Large Eddy Simulation »). La structure des flammes est aussi fortement dépendante des processus d’atomisation et d’évaporation des jets liquides. Des travaux sont réalisés pour modéliser l’injection diphasique dans divers types de chambres de combustion. Enfin la dynamique des flammes est fortement dépendante de la qualité du mélange entre combustible et comburant. Des études sont également menées pour développer des modèles de combustion turbulente afin de
simuler par des approches LES des flammes partiellement prémélangées. La stabilité et la dynamique de ces flammes, présentes dans les foyers de turbines aéronautiques ou de génération d’électricité de nouvelle génération sont étudiées expérimentalement et
numériquement de façon très complémentaire. Il est enfin à noter que ces études ont
également permis de démontrer l'intérêt de la stabilisation par plasma dans ces configurations avec une extension remarquable du domaine de fonctionnement du brûleur.
Etudes en cours et résultats marquants:
(1) Prise en compte de cinétiques chimiques détaillées par des méthodes de tabulation. La technique de tabulation de la cinétique chimique FPI initialement développée au laboratoire EM2C est désormais largement utilisée par de nombreux groupes de recherche. Cette méthode permet de modéliser avec précision la chimie détaillée pour de faibles coûts en termes de
temps de calcul. Des modèles de combustion turbulente adaptés à ces méthodes ont été développés pour rendre compte des interactions entre la cinétique chimique et la turbulence.
(A) Simulation LES d’une flamme jet dans un écoulement d’air vicié. Dans de nombreuses applications pratiques telles la combustion sans flamme ou la combustion dans les moteurs automobiles, les gaz frais sont dilués par des produits de combustion afin de diminuer les pics de température dans la chambre et donc la formation des oxydes d’azote. Cependant, l’effet de cette dilution sur la structure chimique des flammes turbulentes reste aujourd’hui mal connu. Ainsi l’impact des gaz brûlés sur la stabilisation des flammes a été analysé numériquement dans les conditions d’un jet réactif se développant dans un écoulement d’air vicié. Un modèle de combustion turbulente fondé sur une méthode de tabulation a été développé pour prendre en compte les phénomènes d’auto-allumage et de propagation des flammes partiellement prémélangées. Les résultats de simulations LES ont été comparés avec succès à des données expérimentales. Ces travaux ont été initiés lors du Center for Turbulent
Research Summer Program (Stanford University, 2006)
(B) Modélisation de l’allumage et de la structure chimique des flammes partiellement
prémélangées. Des travaux ont été menés afin d’améliorer la prévision des délais d’autoallumage et de la composition chimique des flammes partiellement prémélangées turbulentes qui se développent dans les moteurs diesel. Un modèle basé sur le couplage de la technique de tabulation FPI avec des fonctions de densité de probabilité présumées a été proposé. Le nouveau modèle de combustion a été testé avec succès sur des configurations de flammes laminaires (collaboration avec l’IFP).
(2) Etude de la stabilisation et de la dynamique des flammes turbulentes prémélangées pauvres. Les systèmes de combustion fonctionnant en régime pauvre et prémélangé permettent de réduire significativement le taux d’émissions polluantes. Cependant, ils sont souvent le siège de phénomènes indésirables (remontée de flamme, instabilités de combustion) qui peuvent nuire à l’intégrité du système ou à son environnement. Des études expérimentales et numériques sont menées au laboratoire afin de comprendre et de prévoir ces phénomènes.
(A) Stabilisation de flammes turbulentes prévaporisées prémélangées pauvres. La stabilisation dans un large domaine de fonctionnement représente un enjeu majeur pour les nouvelles générations de brûleurs industriels. La flamme pouvant se propager en tout point du mélange, dans les limites d'inflammabilité, elle risque de remonter jusqu'au système d'injection. On parle alors de "flashback". Il peut en résulter une dégradation prématurée, voire la destruction de l’injecteur. Une étude expérimentale et numérique d’un foyer prévaporisé prémélangé pauvre de 300 kW, a été menée à l’aide de diagnostics optiques avancés : anémométrie laser Doppler pour la mesure de tailles et de vitesses de gouttes, fluorescence induite par laser sur un traceur pour caractériser le mélange et sur le radical OH pour la structure de flamme, imagerie par caméra ultra-rapide pour la dynamique de flamme. Ces résultats d’essais ontpermis d’élaborer un scénario de stabilisation permettant de proposer des améliorations. Nous reproduisons également ce scénario par simulation aux grandes échelles, à l’aide du code de calcul AVBP (voir C-4) et des comparaisons quantitatives entre calculs et expériences ont pu être proposés.
(B) Dynamique de flamme dans un foyer prémélangé pauvre multipoint. Dans la lignée des systèmes d’injection de nouvelle génération de type prémélangé pauvre étudiés au laboratoire EM2C depuis une dizaine d’année, un injecteur multipoint expérimental a été conçu en collaboration avec le groupe SAFRAN/SNECMA. Cette nouvelle géométrie repose sur l’idée qu’une injection de combustible dans la zone de réaction permet de contrôler de façon plus globale la combustion (stabilité, émissions polluantes et sonores, etc). Afin d’optimiser son fonctionnement, une méthode de contrôle global de la combustion est développée et implantée sur le banc. Une étude détaillée du champ de vitesse dans la chambre de combustion a été menée pour différentes puissances et différentes richesses de mélange. Ce travail a été réalisé en utilisant un système novateur de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) fonctionnant à une fréquence d'acquisition élevée (12 kHz), une première mondiale (thème C-3). Ces mesures caractérisent la dynamique de l’écoulement. La structure de la flamme a également
été finement observée par fluorescence induite par laser (PLIF-OH). L’influence de la
puissance et de la répartition de carburant sur la structure et la position de la flamme ont été en particulier étudiés. Enfin, la stabilité de la chambre de combustion est examinée, et un diagramme de stabilité en fonction de la répartition en carburant est proposé. Pour la mise en place astucieuse d'un système d'amélioration de la stabilisation de flamme par plasma, le domaine de fonctionnement du brûleur a été étendu sur une large gamme de richesse. Très basses.
(C) Développement d’un modèle de combustion turbulente pour la simulation LES de
flammes prémélangées pulsées acoustiquement. Un modèle de combustion turbulente
prémélangée a été développé afin de décrire les interactions entre les échelles de la flamme, de la turbulence et de la procédure de filtrage. Le modèle couvre à la fois les régimes où le plissement de la flamme par la turbulence est résolu et ceux où la turbulence de sous maille modifie les propriétés de propagation du front de flamme filtré. La propagation de la flamme est prédite par un modèle G-equation et sa structure par la résolution d’une variable d’avancement filtrée. Le modèle a été validé sur des configurations de flamme 1D puis par le calcul 2D d’interactions flamme/tourbillon. Enfin il a permis de simuler une flamme turbulente prémélangée stabilisée derrière un dièdre et pulsée acoustiquement. Il y a un très bon accord avec les données expérimentales qui proviennent du laboratoire EM2C. (Collaboration avec Stanford University)
(3) Modélisation Eulerienne de l’injection diphasique. Dans la plupart des applications pratiques, l’injection de combustible est réalisée sous forme liquide (moteurs essence à injection directe, Diesel, foyers aéronautiques, moteurs fusée, procédés). La qualité du spray contrôle la performance et les niveaux d’émission. La modélisation de l’injection constitue, dans ce contexte, un enjeu majeur. Le calcul de la phase dispersée peut être envisagé dans un cadre Eulerien bi-fluide dans lequel les inclusions liquides sont représentées comme un milieu continu. Cette approche déjà explorée dans le cas de la combustion cryotechnique a été poursuivie dans le cas de l’injection Diesel. Le modèle à deux fluides est complété par une équation de bilan pour la densité de d’aire interfaciale. Des résultats prometteurs ont été obtenus pour des configurations représentatives de l’injection Diesel (collaboration avec l’IFP).
(4) Simulations aux grandes échelles de la combustion dans un moteur automobile. Les moteurs à combustion interne présentent des instabilités cycle à cycle (écoulement et combustion diffèrent d’un cycle à l’autre), préjudiciables à leur fonctionnement. Cesinstabilités ne peuvent pas être prédites par des simulations de type RANS qui ne fournissent qu’un cycle moyen. C’est pourquoi une modélisation de type LES, basée sur la résolution d’une équation de transport pour la densité de surface de flamme de sous maille, a été développée puis testée avec succès pour la simulation de dix cycles consécutifs (première mondiale, en partenariat avec l’IFP et le CERFACS).
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