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Bourse CIFRE: simulation des instabilités de combustion (SAFRAN/CERFACS)

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Niveau requis : Master ou Ecole d'ingénieur
Date de début : 4 octobre 2021
Durée de la mission : 3 ans
Date limite des candidatures : 1 juillet 2021
Rémunération : 1800 Euros net/mois

Thèse à pourvoir CERFACS-SAFRAN (bourse CIFRE)

Modèles réduits pour l'étude et le contrôle des instabilités thermo-acoustiques dans les turbines à gaz aéronautiques et foyers de réchauffe

Cette thèse fera l'objet d'une bourse CIFRE à compter de Octobre 2021. Elle s'inscrit dans le cadre de la collaboration entre Safran Aircraft Engines et le CERFACS visant à simuler les instabilités dans les turbines à gaz aéronautiques. Les conséquences de ces instabilités pour un foyer aéronautique peuvent être si graves qu'il n'est plus acceptable de les subir sans les prévoir [1].
Depuis dix ans, le CERFACS développe une suite de codes complémentaires pour la caractérisation des instabilités de combustion, allant de la Simulations aux Grandes Echelles [2] à un solveur d'Helmholtz [3] en passant par des outils quasi-analytiques [4]. Les derniers ont un temps de retour suffisamment réduit (quelques secondes) pour envisager une utilisation intensive dans les phases de (pré-)dimensionnement des nouveaux moteurs aéronautiques mais leur champ applicatif est trop restreint (géométrie simple, mode azimutaux) pour les rendre moteur-spécifiques. L'approche Helmholtz, bien que très peu coûteuse par rapport aux Simulations aux Grandes Echelles, reste trop lourde dans une phase de pré-dimensionnement dominée par les études paramétriques.

Les travaux récents et en cours au CERFACS ont démontré qu'une approche consistant à voir le système à étudier comme une série de sous-domaines connectés par une approche « state space » a le potentiel d'allier généralité (géométrie complexe) et efficacité (temps de calcul réduit d'un facteur 100 par rapport à l'approche Helmholtz) [5]. L'objectif de cette thèse est de poursuivre dans cette voie afin d'amener cette technologie au niveau requis pour permettre son utilisation intensive dans les sociétés du groupe SAFRAN, notamment pour l'étude des foyers de réchauffe. Cela passera notamment par les étapes suivantes :

1-     Poursuivre le développement théorique et la mise en place effective de l'approche state space pour intégrer l'ensemble des sous-modèles nécessaires à la représentation des foyers aéronautiques (conditions limites complexes, flamme active, modes mixtes, liners, …) et permettre la prise en compte de géométries réalistes,

2-     Démontrer la capacité de la méthode à représenter les modes de structure spatiale complexe, notamment les modes transverses haute fréquence (screech) qui peuvent avoir des effets dévastateurs dans les foyers de réchauffe. Cela passera notamment par une description plus complète des réponses de flammes en lien notamment avec les travaux en cours au CERFACS sur la simulation aux grandes échelles de la post-combustion,

3-     Inclure l'ensemble des développements réalisés dans l'interface (API) utilisateur et les appliquer à une configuration industrielle sélectionnée par SAFRAN et le CERFACS.

La thèse se déroulera au CERFACS sous la direction de T. Poinsot (CERFACS) et F. Nicoud (Université de Montpellier). Titulaire d'un diplôme de niveau Master en mécanique des fluides, le candidat devra avoir une certaine appétence pour les développements analytiques.

Contacts: lgicquel@cerfacs.fr, poinsot@cerfacs.fr, franck.nicoud@umontpellier.fr

Références:
[1] T. Poinsot, “Prediction and control of combustion instabilities in real engines,” Proc. Combust. Inst., vol. 36, no. 1, pp. 1–28, 2017.
[2]      CERFACS, “https://www.cerfacs.fr/avbp7x/.” .
[3]      F. Nicoud, L. Benoit, C. Sensiau, and T. Poinsot, “Acoustic modes in combustors with complex impedances and multidimensional active flames,” AIAA J., vol. 45, no. 2, 2007.
[4]      M. Bauerheim, F. Nicoud, and T. Poinsot, “Progress in analytical methods to predict and control azimuthal combustion instability modes in annular chambers,” Phys. Fluids, vol. 28, no. 2, p. 021303, 2016.
[5]      C. Laurent, M. Bauerheim, T. Poinsot, and F. Nicoud, “A novel modal expansion method for low-order modeling of thermoacoustic instabilities in complex geometries,” Combust. Flame, vol. 206, pp. 334–348, 2019.