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Modélisation de la formation des suies dans les turbines à gaz avec prise en compte de la morphologie des agrégats

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Les preuves factuelles que l'activité humaine favorise le dérèglement climatique poussent des acteurs institutionnels et industriels à se concentrer sur la recherche de solutions pour limiter l'impact de l'homme sur le réchauffement clima- tique. A cet effet, la diminution des émissions polluantes est un levier important qui est profondément étudié. Tandis que de nouvelles sources d'énergies émergents, elles peinent à s'imposer dans de nombreux secteurs tels que l'aéronautique, qui restera dépendante à la combustion des carburants fossiles dans les prochaines décénies. Pour en diminuer l'impact, il est donc primordial d'améliorer l'efficacité de la combustion et d'en réduire les émissions polluantes à moyen terme. Parmi les polluants émis par l'aviation, les suies sont un sujet intéressant de recherche car leur faible durée de vie permet un impact rapide sur le climat. Cependant, leur compréhension scientifique est limitée et le sujet n'a été popularisé que récemment grâce aux avancées en mod- élisation de la combustion, des aérosols ou encore à l'arrivée de nouvelles techniques de mesures. Dernièrement, la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de flammes turbulentes suitées est devenue possible tandis que l'augmentation de la puissance de calcul a permi la simulation détaillée de la combustion. Parallèlement, les mesures de suies sont désormais précises et la comparaison avec les simulations permet d'affiner la modélisation afin d'améliorer notre compréhension des propriétés des suies pour en limiter les émissions. Ce travail s'inscrit dans ce contexte, en s'intéressant à la modélisation de flammes suitées basée sur des mécanismes de combustion et des chimies des suies détaillés. Un solveur de suies basé sur la Méthode Sectionnelle Dis- crète a été intégré dans le solveur chimique Cantera afin de valider les estimations de suies obtenues par différents mécanismes chimiques détaillés couplés avec un mod- èle de suies détaillé, par rapport à une base de données expérimentale de flammes canoniques. D'une même manière, différents modèles de kérosène ont été testés et validés dans des cas similaires. Le mécanisme a ensuité été réduits avec le modèle de kérosène choisi via une approche de Chimie Analytiquement Réduite grâce au code ARCANE afin de le rendre assez compact pour être utilisé en SGE tout en conser- vant ses capacités d'estimation des suies. Le mécanisme réduit obtenu a été comparé à des mesures expérimentales menées sur un brûleur Riche-Eteint-Pauvre mimant une chambre de combustion aéronautique ainsi qu'aux mécanismes précédemment disponibles afin de s'assurer de sa précision et d'évaluer les améliorations obtenues par rapport aux méthodes précédentes. Ce nouveau mécanisme permet d'obtenir des résultats proches de ceux obtenus expérimentalement, ce qui confirme la validité de la méthode de sélection et de réduction mise en place. Les résultats étant meilleurs que ceux obtenus précédemment, il est désormais possible d'analyser les mécanismes en jeu dans la production de suies et les leviers pour la réduire lors de la conception de futurs injecteurs ou chambres de combustion.

Jury

Benedetta FRANZELLI	CentraleSupélec	Rapporteur
Jérôme YON	INSA Rouen	Rapporteur
Frédéric GRISCH	INSA Rouen	Examinateur
Alberto CUOCI	Politecnico di Milano	Examinateur
Nicolas BERTIER	ONERA	Invité
Bénédicte CUENOT	CERFACS	Directrice
Eléonore RIBER	CERFACS	Co-directrice