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Analyse et réduction de la cinétique chimique de la combustion

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Niveau requis : Master ou école d'ingénieur
Date de début : 3 octobre 2016
Durée de la mission : 36 mois
Date limite des candidatures : 15 décembre 2015
Rémunération : 1700 euros/mois environ

Contexte : la pénurie attendue de combustibles fossiles conduit l’industrie aéronautique à envisager l’ajout de combustibles de remplacement dans les carburants standard. Parallèlement, de nouvelles chambres de combustion sont aujourd’hui en développement, dans l’objectif de réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes. Ces deux tendances nécessitent aujourd’hui une prédiction de plus en plus fine de la distribution de température, de la dynamique de flamme, et des polluants. Grâce à l’augmentation constante de la puissance de calcul, la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) des écoulements réactifs turbulents, qui fournit une description précise des flammes et de leur interaction avec la turbulence, inclut maintenant une description  semi-détaillée de la cinétique chimique de la combustion. Celle-ci est basée sur des schémas chimiques réduits en utilisant des méthodes mathématiques  (méthode des graphes et analyse de sensibilité) pour construire des cinétiques dites « analytiquement réduites » (ARCs) comportant de l’ordre d’une vingtaine d’espèces chimiques. Des premiers travaux sur des carburants légers (méthane et éthylène) ont montre la capacité de cette nouvelle approche à reproduire avec précision la structure de flamme et les polluants tels que CO et NOx pour un coût calcul raisonnable. Le but de ce travail est de développer des ARC pour les hydrocarbures lourds utilisés dans l’industrie aéronautique tels que le kérosène, avec ou sans ajout de carburant de remplacement en quantité variable.

Ce travail est soutenu par le projet européen JETSCREEN rassemblant divers laboratoires européens de combustion et constructeurs de moteurs industriels.

Instantaneous fields of velocity (left) and temperature (right) in a methane-air industrial combustor

Champs instantanés de vitesse (gauche) et de température (droite) dans un brûleur industriel méthane-air

Description du travail proposé : Le travail proposé fait suite à la thèse de doctorat de A. Felden au CERFACS. Tout d’abord, un modèle mono-composant pour le kérosène sera considéré. La réduction directe de la chimie sera évaluée et comparée à une stratégie plus récente proposée par le Prof. H. Wang à l’Université de Stanford (décomposition de la chimie en deux étapes, une étape de pyrolyse suivie d’une étape d’oxydation des petites molécules uniquement). Dans une deuxième étape, un modèle multi-composants plus réaliste pour le kérosène sera considéré. L’influence du modèle de carburant à la fois sur la méthode de réduction chimique et sur la structure de la flamme sera évaluée. Pour ce faire, le code de réduction YARC développé par le Dr P. Pepiot à l’Université Cornell ainsi que le solveur chimique 0D-1D CANTERA seront utilisés.

La même méthodologie sera ensuite appliquée pour la réduction chimique du kérosène additionné d’un carburant de remplacement (encore à définir). L’impact de l’additif sur la structure et le comportement des flammes lmainaires sera analysé.

Enfin, le couplage des ARC avec les modèles de combustion turbulente sera étudié, en réalisant des SGE incluant les ARC dans les chambres de combustion en perspective. des simulations 3D seront réalisées dans des brûleurs académiques et industriels, pour étudier l’impact de l’ajout de carburant de remplacement sur l’efficacité de la combustion, les performances d’allumage, les instabilités de combustion et les émissions polluantes.

Contacts :

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