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Le 1 juillet 2020 à 14h00

Soutenance de thèse: Lucien GALLEN – Simulation aux Grandes Echelles pour la prédiction des suies dans les moteurs aéronautiques

Marie LABADENS |  Salle de réunion Administration (webex) Cerfacs Toulouse |  

Résumé:

Les futures réglementations en termes d’émission de polluants, notamment sur les particules fines (PM), qui s’appliquent aux chambres de combustion de nouvelle génération nécessitent de nouvelles approches de conception. Afin de réduire la formation des particules fines, ou particules de suies, la compréhension des processus de formation et de transports des particules est nécessaire. La chimie et la dynamique de ces particules de suies dépendent fortement de la taille et de la morphologie de celle-ci. La prédiction de ces polluants requière de prendre en compte la distribution en taille des particules tout au long du calcul. Pour cela, des méthodes Eulériennes sont utilisées (Moments,Sectionnels), ou des méthodes stochastiques Lagrangiennes sont proposées. Dans ce travail, une méthode semi-déterministique basée sur l’approche Lagrangienne est proposée. Parallèlement, une description précise de la chimie, notamment pour les précurseurs de suies nécessaire aux modèles détaillés de formation de suies est développée. Ce travail ambitionne de développer une méthodologie incluant la description des précurseurs de suies et le transport de celles-ci dans le cadre de la simulation aux grandes échelles. Le manuscrit est organisé en trois parties. La première partie introduit le contexte de l’étude ainsi qu’une revue détaillée de la littérature scientifique concernant les particules de suies et particulièrement leur modélisation. Parmi les méthodes existantes, le suivi Lagrangien des particules de suies est retenu dans ce travail. Néanmoins de nombreux développements additionnels sont nécessaires afin de modéliser avec précision la distribution en taille des particules. Ensuite la deuxième partie s’intéresse à la modélisation des flammes laminaires et en particulier la prédiction des émissions de suies. La modélisation des écoulements réactifs est rapidement évoquée, le choix de la modélisation de la chimie de combustion est également discuté. Le choix de la chimie analytiquement réduite (ARC) est retenu dans ce travail. Le développement et la validation de schémas cinétiques réduits pour différents carburants ainsi que différents précurseurs de suies est détaillé. Enfin, la méthode du suivi Lagrangien des particules de suies est décrite en détails et validée par rapport à la littérature. La combinaison des chimies réduites ARC et du suivi Lagrangien des particules est utilisée sur plusieurs flammes canoniques pour lesquelles de bonnes prédictions de suies sont obtenues. Finalement, la dernière partie présente la prédiction des suies obtenue avec notre méthodologie dans deux configurations de type aéronautiques. La première est la configuration FIRST, il s’agît d’une flamme étudiée au DLR opérant à haute pression dans un milieu confiné et stabilisée à l’aide d’un swirleur. L’impact du choix du précurseur de suies ainsi que la prise en compte des transferts radiatifs est évaluée. La température et la fraction volumique des suies sont en accord avec les mesures expérimentales. La seconde configuration est le bruleur UTIAS Jet A-1 où le Jet A-1 est un carburant aéronautique, il est caractérisé par une flamme swirlée diphasique et étudié à l’université de Toronto au Canada. La simulation aux grandes échelles de cette configuration procure de nouvelles connaissances sur la formation des particules des suies dans les flammes turbulentes diphasiques. Un très bon accord avec les données expérimentales est observé pour cette configuration concernant les particules de suies. Le travail de cette thèse souligne la nécessité d’une description précise de la chimie, notamment celle des précurseurs de suies, ainsi qu’une description précise des transferts de chaleur pour la prédiction des particules de suies dans les bruleurs de type-aéronautiques.

mots clés: 

Suies,Combustion,Simulation aux grandes échelles,Transferts Radiatifs,Approche Lagrangienne,Turbines à gaz

Jury:

H. PITSCH Professeur, RWTH Aachen Universtät Rapporteur
B. FIORINA Professeur, CNRS Rapporteur
A. EL BAKALI Prodesseur, CNRS Examinateur
N. BERTIER Ingénieur de recherche, ONERA Examinateur
K.P. GEIGLE Chercheur, DLR Examinateur
G. EXILARD Ingénieur Méthodes, Safran HE Membre invité
B. CUENOT Chercheur Senior, CERFACS Directrice de thèse