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Modélisation de la combustion turbulente multiphasique pour la Simulation aux Grandes Échelles de foyers de réchauffe

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés) [Sous réserve d'autorisation de soutenance]

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Les chambres de postcombustion – également appelées « afterburners » ou « chambres de combustion séquentielles » – sont principalement utilisées pour les turboréacteurs aéronautiques à vocation militaire ainsi que pour certaines turbines à gaz industrielles. Objet principal de ce travail, les chambres de postcombustion aéronautiques sont placées en aval des étages de turbine basse pression pour les avions supersoniques et servent à produire une poussée supplémentaire via l'ajout de carburant permettant de bruler l'oxygène résiduel de l'air d'échappement. Les exigences en matière de rendement global, de poussée et d'émissions des moteurs à réaction étant en constante évolution, la conception des postcombusteurs doit être adaptée en conséquence. La complexité des écoulements multiphysiques et multidimensionnels à l'intérieur des chambres de postcombustion pose plusieurs défis pour le développement de nouvelles architectures de réchauffe. Pour repousser ces limites, la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un outil très prometteur. Cependant, elle nécessite des développements supplémentaires afin d'améliorer sa fidélité pour les conditions d'écoulement rencontrées dans les chambres de postcombustion, notamment concernant la phase liquide du kérosène. En effet, la résolution directe de cette phase n'est pas réalisable numéricalement ; c'est pourquoi une approche d'Euler-Lagrange est adoptée dans ce travail. Cependant, l'interaction complexe entre le gaz à grande vitesse et la phase liquide lagrangienne nécessite une attention particulière dans le cadre des conditions de fonctionnement spécifiques à la chambre de postcombustion, car la plupart de ces modèles ont été développés pour des chambres de combustion conventionnelles. La première partie de cette thèse aborde la modélisation de l'injection de kérosène à l'aide d'injecteurs de type « jet-in-crossflow » (JICF) dans un environnement à grande vitesse, haute température et vicié, caractéristique des chambres de réchauffage. Il est démontré que l'interaction entre le jet JICF et les gouttelettes individuelles avec le flux gazeux est plus forte que ce qui est observé généralement dans les chambres conventionnelles. Représenter correctement la phase liquide dans des conditions des postcombusteurs nécessite donc une modification des modèles lagrangiens. La suite du manuscrit se concentre sur l'étude des flammes de diffusion, qui jouent un rôle majeur dans les postcombusteurs en raison du mélange partiel entre la vapeur de carburant et le flux d'air vicié. Dans un premier temps, la description chimique des flammes de diffusion est examinée. Un modèle kérosène-air en deux étapes, initialement développé pour les flammes de postcombustion prémélangées, est adapté aux flammes de diffusion en optimisant ses propriétés de transport à l'aide de la théorie asymptotique des flammes de diffusion à contre-courant. Ensuite, le traitement des flammes de diffusion turbulentes est étudié dans le cadre de la LES « sans modèle » des flammes de diffusion. Il est démontré que le maillage et les opérateurs de stabilisation numérique ont une influence très forte sur les flammes de diffusion sans modèle, au point que la physique passe au second plan. Une approche fondée sur l'épaississement, appelée « Diffusion Flame Thickness Control » (DFTC), est proposée pour remédier aux problèmes dits de « sous-résolution » et représenter les fronts de flamme de diffusion sur un nombre suffisant de points de maillage. Pour chaque thème, les modèles développés sont validés par la simulation du banc d'essai expérimental 3D dédié à la post-combustion de Georgia Tech, démontrant ainsi l'applicabilité de ces développements dans une chambre de postcombustion complexe, diphasique et multi-régime.

Jury

Pr. Ronan Vicquelin	Université Paris-Saclay	Rapporteur, Président de jury
Pr. Antonio Andreini	Universitá degli studi di Firenze	Rapporteur
Pr. Simone Hochgreb	University of Cambridge	Examinatrice
Dr. Guillaume Ribert	INSA Rouen Normandie	Examinateur
Dr. Julien Tillou	Safran Aircraft Engines	Invité
Dr. Thierry Poinsot	CERFACS	Directeur de Thèse
Dr. Laurent Gicquel	CERFACS	Co-directeur de Thèse