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Prédiction numérique de la production des oxides nitreux dans les flammes turbulentes et diphasiques via Simulation aux Grandes Échelles

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Le 21ème siècle est marqué par une utilisation abondande d'énergies fossiles contribuant directement au dérèglement climatique. Leur combustion augmente inoxérablement les concentrations de gaz à effet de serre et induit de la pollution de l'air.
En particulier, les conséquences délétères sur la santé humaine et les écosystèmes causées par les oxydes d'azote (NOx), avec l'oxyde nitrique (NO) principalement formé, ont mené à des réglementations de plus en plus strictes sur leurs émissions. Par conséquent, améliorer l'efficacité de la combustion afin de réduire les émissions de polluants est un levier essentiel à court et moyen termes. Les améliorations considérables des capacités de calcul ont rendu la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) de flammes diphasiques et turbulentes abordable, même avec plusieurs espèces transportées. De ce fait, la simulation numérique des NOx semble prometteuse pour appréhender les processus de formation des polluants et fournir des prédictions quantitatives afin de concevoir les futurs moteurs aéronautiques à faibles émissions
de NOx.
Dans ce cadre, la prédiction des NOx repose sur des modèles cinétiques fiables décrivant l'oxydation du carburant et la chimie azotée. Cependant, comparée aux mesures récentes, une variabilité significative de la prédiction des NOx est observée parmi les mécanismes détaillés, notamment pour les carburants lourds. D'autre part, les mécanismes détaillés décrivent un nombre prohibitif d'espèces pour leur utilisation en SGE. Par conséquent, deux approches de prédiction des NOx sont évaluées et comparées : une approche de réduction analytique (ARC) et une prédiction hybride GRC/tabulée – nommée NOMAGT -, toutes deux combinées au modèle de flamme épaissie (TFLES). Deux ARCs décrivant l'oxydation de deux hydrocarbures et de la chimie NOx sont dérivées et minutieusement validées pour le n-heptane et n-décane. Les mécanismes ainsi dérivés ont prouvé une excellente précision dans les flammes laminaires canoniques, confirmant la stratégie de réduction. Puis, les chimies réduites sont employées dans des configurations turbulentes via la SGE pour évaluer leur capacité prédictive. D'abord, une simulation haute résolution de la configuration académique du Coria Rouen Spray Burner (CRSB), avec des mesures rares de NO dans le front de flamme, est effectuée. Même si les propriétés de flamme présentent des prédictions satisfaisantes, des divergences quantitatives du NO sont mises en évidence, bien que qualitativement similaires. Les résultats ont démontré l'importance de la cinétique du NO et en particulier des chemins prompt et thermique dans de telles flammes. Finalement, la méthodologie est appliquée à la chambre de combustion aéronautique 4si avec pour référence la prédiction de l'ARC. La stratégie NOMAGT a donc été dérivée pour prédire spécifiquement les niveaux de NOx de l'ARC et lui est comparée. Les résultats ont démontré la capacité de NOMAGT à prédire des niveaux satisfaisants de NO à moindre coût.

Jury

Ronan Vicquelin	EM2C	Rapporteur
Alessandro Stagni	Politecnico di Milano	Rapporteur
Nathalie Lamoureux	PC2A	Examinatrice
Frédéric Grisch	CORIA	Examinateur
Bénédicte Cuenot	Safran Aircraft Engines	Examinatrice
Jean-Christophe Jouhaud	CERFACS	Directeur de thèse
Stéphane Richard	Safran Helicopter Engines	Invité
Éléonore Riber	CERFACS	Invitée