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Résumé :

La postcombustion – aussi appelée réchauffe ou combustion étagée – se retrouve à la fois dans l’industrie des turbines à gaz et dans les moteurs d’avion. Ce travail se concentre sur la postcombustion dans les réacteurs d’avion. Dans les réacteurs, les chambres de postcombustion sont situées en aval des turbines basse pression. Les réchauffes de moteur d’avion ont une efficacité nettement inférieure à celle des chambre de combustion primaires car elles libèrent de la chaleur à basse pression dans le cycle de Brayton. Cependant, elles deviennent intéressantes lorsque la poussée à fournir à l’avion varie beaucoup pendant le vol et lorsqu’on essaie d’améliorer la poussée maximale. C’est le cas lors de vols à haute vitesse/supersoniques, de décollage sur une courte distance, ou lors de manœuvres tactiques. Pour répondre à de telles exigences, le réacteur doit être plus polyvalent et la poussée supplémentaire fournie par la postcombustion peut alors s’avérer utile. Alors que les avions supersoniques sont presque exclusivement utilisés à des fins militaires, il existe une exception: le Concorde qui avait besoin de la postcombustion pour s’assurer une poussée suffisante. Sur les avions modernes, les spécifications concernant l’efficacité globale du moteur, sa durée de vie, la poussée maximale, les émissions, etc. ont conduit à de plus en plus de contraintes sur la conception de l’arrière corp du réacteur. Les architectures et méthodes de conception développées au cours des dernières décennies ne sont plus capables de satisfaire les exigences actuelles et de nouveaux systèmes font l’objet d’investigations. Dans l’industrie, les ingénieurs se fient de nos jours à des outils numériques pour trouver les meilleures solutions à leurs problèmes. En particulier, pour la conception des systèmes de propulsion, les études de dynamique des fluides et de combustion, la Simulations aux Grandes Echelles (SGE), (qui était historiquement trop coûteuse pour être utilisée dans des processus de dimensionnement) est de plus en plus utilisées par les bureaux d’études industriels. En revanche, malgré l’augmentation de la puissance de calcul, les SGE de géométries 3D complexes à l’échelle réelle restent extrêmement coûteuses, et le travail réalisé lors de cette thèse vise à fournir des modèles permettant de trouver un bon compromis entre le coût et la précision des SGE. De plus, la plupart des efforts de recherche jusqu’à présent se sont portés sur la modélisation des phénomènes de combustion turbulente dans les chambres de combustion primaires, où un mélange air/carburant est brûlé à une température relativement basse. Dans un brûleur séquentiel, le carburant (kérosène) est injecté dans des gazs brûlés très chauds provenant de la chambre de combustion primaire, et les modèles habituellement utilisés pour les chambres primaires ne peuvent pas être utilisés tels quel pour calculer les réchauffes. Dans une première partie, un nouveau schéma de cinétique chimique en 2 étapes a été développé pour la combustion du kérosène aux conditions de la réchauffe. Ensuite, une extension du modèle de Flamme Épaissie est proposée afin de mieux reproduire les événements d’auto-allumage qui sont susceptibles de se produire en postcombustion. Une approche Euler-Lagrange a été utilisée pour modéliser l’injection, l’atomisation et l’évaporation du carburant liquide. Enfin, les modèles développés au cours de cette thèse sont utilisés pour simuler un banc d’essai expérimental à l’échelle réelle ainsi qu’une géométrie simplifiée représentative de la chambre de postcombustion du moteur M88 de Safran. Ces dernières simulations mettent en évidence la complexité de l’écoulement réactif à l’intérieur des réchauffes et l’utilité de la SGE pour la conception des moteurs d’avion avec postcombustion.

Jury :

Denis VEYNANTE	CENTRALE SUPÉLEC
Nicolas NOIRAY	ETHZ
Benedetta FRANZELLI	CENTRALE SUPÉLEC
Yoann MERY	SAFRAN GROUP
Thierry POINSOT	CERFACS
Davide LAERA	CERFACS
Jérôme DOMBARD	CERFACS