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Résumé :

Alors que la société évolue vers une économie verte pour faire face au changement climatique, la communauté de la combustion devrait développer de nouvelles technologies et concevoir des chambres de combustion à faibles émissions pour les secteurs de l’aviation et de l’énergie. À cet égard, l’hydrogène est aujourd’hui une solution technique prometteuse puisqu’il n’offre aucune production directe de CO2 et même lorsqu’il est mélangé à des combustibles fossiles classiques, il contribue à la stabilisation de flammes plus pauvres et plus vertes. Cependant, le développement de la chambre de combustion H2 est un défi technologique soulevant de multiples questions en termes de fiabilité, d’efficacité et de sécurité, notamment pour les avions. En ce qui concerne les moteurs d’hélicoptères, il n’existe pas à ce jour de réglementation spécifique sur les émissions de polluants et, en raison de leur faible puissance, les hélicoptères sont des bancs d’essais idéaux pour les nouvelles technologies. Plus précisément et pour illustrer ce contexte de développement idéal, Safran Helicopter Engines (SHE) a récemment développé la Spinning Combustion Technology (SCT) gagnant en opérabilité moteur et en capacité de soufflage pauvre (LBO).

En raison de son grand potentiel de prédiction d’écoulements réactifs complexes, la simulation aux grandes échelles (LES) s’est avérée utile pour relever ce défi de conception, qu’elle soit orientée vers un changement de combustible (H2) ou un changement de géométrie de la chambre de combustion (SCT). Cependant, étant donné que l’opérabilité des moteurs est un phénomène très fin compte tenu de sa nature multi-physique, de grands efforts et une attention particulière doivent être portés sur la modélisation appropriée des différentes physiques coexistant dans ces systèmes. Dans ce travail, une évaluation complète des modèles LES haute fidélité basés sur le transfert de chaleur conjugué est proposée et organisée en trois parties.

Dans un premier temps, les principaux défis de la modélisation sont abordés. Comme l’enrichissement en H2 et les conditions réelles du moteur donnent une épaisseur de flamme réduite et des exigences plus strictes en termes de discrétisation de domaine, une approche de raffinement de maillage statique (SMR) basée sur la physique est dérivée et validée sur différentes configurations. En parallèle et puisque la prédiction de l’écoulement réel dépendra des limites thermiques appliquées, les simulations LES basées sur le transfert de chaleur conjugué (CHT) sont validées et évaluées par rapport à des stratégies plus simples pour une flamme tourbillonnante partiellement prémélangée, la bonne dynamique n’étant correctement prédite qu’avec une estimation correcte. du transfert de chaleur aux parois. Enfin, l’effet des propriétés de transport variables, typiques des écoulements de mélange H2, sur une flamme prémélangée tourbillonnante est analysé, confirmant qu’une description appropriée de la chimie et des propriétés de transport est nécessaire lorsqu’il s’agit de mélanges de carburants non conventionnels.

Deuxièmement, les effets de l’enrichissement en H2 et de la pression élevée (jusqu’à 5 bar) sont étudiés pour une flamme CH4 tourbillonnante. Des changements drastiques de la forme de la flamme et de sa dynamique sont observés, déclenchant éventuellement des oscillations thermoacoustiques.

Troisièmement, la stabilisation de la flamme et la dynamique LBO dans le SCT sont spécifiquement étudiées. CHT-LES est capable de récupérer la dynamique observée expérimentalement lors de la diminution du rapport d’équivalence et fournit de meilleurs résultats que les simulations adiabatiques typiques. Pour finir, LES est utilisé comme outil industriel pour concevoir un nouveau brûleur plus proche des vrais moteurs SCT.

En abordant ces défis, ce travail démontre l’évaluation du LES, dans un contexte CHT, pour prédire l’opérabilité des moteurs face à des technologies innovantes et met ainsi en évidence le rôle central du High Power Computing (HPC) et du LES haute-fidélité dans la transition vers un avenir décarboné.

Jury :