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Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique

Application au Superstatoréacteur

Yann Moule2e annéeDEFA/PRABourse ONERA

Directeurs de thèse: Arnaud Mura (Institut P’)

Vladimir Sabel’nikov (ONERA)

Encadrant ONERA: Vladimir Sabel’nikov

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours

• Conclusions et perspectives

• Publications et modules de formation suivis

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• Démarche et déroulement de la thèse• Etude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours



Plan

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Contexte

• Dimensionnement système propulsif supersonique aérobie PREPHA, JAPHAR, LEA

• Besoin d’un outil numérique validé en soutien des moyens d’essai– Délai d’allumage

– Rendement de combustion

– Flux thermique aux parois

– Perte de pression d’arrêt

Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

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Objectifs scientifiques

• Approche « classique » (équilibre chimique, cinétique Quasi-Laminaire, flammelette …) pour décrire les écoulements réactifs à grande vitesse (i.e à nombre de Reynolds élevé) non adaptée

(Da ~ 1)

• Développer un modèle d’Interaction Chimie-Turbulence (ICT)• Effets de compressibilité• Effets du mélange turbulent• Effets de cinétique chimique finie

• Valider ce modèle sur différents cas test représentatifs à l’aide du code CEDRE

• Améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans l’auto-allumage et la stabilisation d’une flamme en régime supersonique


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Plan


• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours



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• Couche de cisaillement• Développement de structures cohérentes (instabilités type Kelvin-Helmoltz)• Mélange aux petites échelles• Apparition de poches, partiellement pré-mélangées, susceptibles de brûler

Développement d’une couche de mélange

Ces poches en combustion intermittente jouent un rôle prépondérant dans l’auto-allumage et la stabilisation de la flamme.

• Effet de compressibilité• Affecte le mélange• Modifie la topologie de l’écoulement et donc le délai d’allumage

La couche de mélange réactive (1/2)Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

Fully micromixed region

Fuel

AirU1

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• Effet de la cinétique• Cinétiques H2 / Air • Détermine les temps caractéristiques chimiques• Effets de viciation

• Régimes de combustion• Plusieurs régimes observé [1] en fonction des caractéristiques locales (nombre de

Damköhler) de la zone d’induction : - régime d'allumage brusque - régime d’allumage étalé

• Compétition entre : - effets de compressibilité - dissipation visqueuse - mélange turbulent - cinétique chimique

Injecteur ONERA au banc LAERTE

La couche de mélange réactive (2/2)Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

[1] “Self-Ignition of Hydrogen-Ethylene Mixtures in a Hot Supersonic Air Flow” P. Magre, V. Sabel’nikov (2002)

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Mise en place d’un modèle ICT (1/4)• Développement d’un modèle d’Interaction Chimie – Turbulence (ICT)

• Les deux approches RANS et LES sont considérées

• Pour décrire correctement l’auto-allumage et la stabilisation de la flamme, chaque maille de calcul est traitée comme un réacteur partiellement mélangé (PaSR)

• Approche générale

• Modèles de sous-maille multi-échelle pour la combustion• Les réactions se déroulent aux plus petites échelles, là où le mélange est le plus intense• Introduction de * , fraction volumique des structures fines• Le taux de production moyen est alors modélisé par:


)()( * jj ww

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Mise en place d’un modèle ICT – Approche LES (2/4)• Modèles basé sur un équilibre local (PaSR)

EDC: Modèle multi-échelle qui suppose que les réactions chimiques se déroulent aux plus petites échelles (échelles de Kolmogorov lK et K)

PaSR: Modèle multi-échelle qui suppose que le mélange et les réactions chimiques se déroulent de manière séquentielle dans chaque volume de calcul


N

i iifi

N

i iiii

iiii

TYwhhYhY

TYwYY

1

**,*

1

00**

**

*

0*

énergie),,()(

masse),,()(

Échange local entre * et °

° *

Maille de calcul

2/12/3

4/32/1

)/(23.1*)/(02.1*

k

k

vK

cc

/ ,)(*)*/(*

2/1

c est le temps caractéristique chimique

* et τ* sont respectivement proportionnels à lK et K (RANS et LES)En LES k et Δ sont respectivement l’énergie de sous maille non résolue et la taille de mailleEn RANS k et l sont respectivement l’énergie cinétique turbulente et l’échelle intégrale de turbulence

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Mise en place d’un modèle ICT – Approche LES (3/4)• Modèles avec transport pour la zone * (EPaSR)

• Effets convectifs• Effets instationnaires


[Yi,hs]Posant:

avec

*/)()~()( ****** eqt voù γ* est ici égal à * introduit précédemment

et

,))(()~()(

,))(()~()(0000000000

**********

iiiiiit

iiiiiit

M

M

bkv

bkv

*

*

**

/)(

,22

,/)(

,

**

*00*

*00**

000***

eq

iiiii

iiiii

iiiiii

m

mmmm

)(** PaSReq

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Mise en place d’un modèle ICT – Approche RANS(4/4)• Approche RANS

• Modèle de fluctuation pour la dissipation ε présumée

• La source chimique est moyennée sur l’ensemble des réalisations


P() 1

2 lnexp

ln(

) ln2

2

2 ln2

avec

ln2 ln

L

0.2

N

nkjkj TYwPYTw

1

**** ))(),(,()()(),,(

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Définition des cas testIntro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

RESTM12 (UQ/Australie)

Flamme supersonique (Cheng et al.)

Plaque plane F4 (ONERA/JAXA)

Chambre de combustion (LAPCAT 2 /ONERA)

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Calcul LES

• Configuration Cheng et al.• Calcul Arrhenius en cours• Comparaison du modèle PaSR-LES

avec le modèle PaSR-RANS• Difficultés pour définir

convenablement les Conditions Limites


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Calcul PaSR - RANS

• Cas du réacteur partiellement mélangé

• Configuration Cheng et al. [3]• Mise au point du modèle PaSR -

RANS• Influence des différents paramètres

du modèle• Difficultés dans la résolution du

système algébrique • Amélioration des résultats avec un

maillage raffiné dans la zone *


[3] “Finite-rate Chemistry Effects in a Mach 2 Reacting Flow” T. Cheng et al. (1991)

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Couplage CEDRE / ANGENER• Remaillage automatique

• Méthode AMA (Anisotropic Mesh Adaptation)• Solveur ANGENER (ANistropic Mesh Adaptation GENERator)

(V. Dolejsì – Charles University, Prague)

• Couplage CEDRE – ANGENER• Conversion format géometrique CEDRE au format ANGENER

Exemple de couplage [4]


CFD CFD

[4] d’après: “Etude d’une formulation générale pour les flammes non prémélange turbulentes” L.Gomet, A. Mura(2008)

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Plan


• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction• Définition d’un cas test représentatif• Analyse physique du cas test• Activités en cours: LES et étude expérimentale


• Publications et modules de formation

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Conclusions et perspectives• État d’avancement:

• Prise en main du code de calcul ONERA CEDRE

• Analyse des phénomènes physiques prépondérants

• Étude comparative de schémas cinétiques H2 / Air

• Codage de PaSR – EPaSR dans CEDRE

• Étude PaSR-RANS en cours sur une configurations académique

• Calcul LES en cours en vue d’un comparaison RANS / LES / Expé


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Conclusions et perspectives• A venir…

• Évaluation et validation du modèle PaSR en RANS et LES• Comparaison avec les résultats expérimentaux• Optimisation du modèle PaSR-RANS• Analyse de l’auto-allumage et de la stabilisation de la flamme liftée de Cheng

• Mise au point du modèle EPaSR

• Calculs sur des géométries plus complexes (cas test de validation) et sur d’autres configurations de foyers aéronautiques (PRF CLEANER)


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Plan


• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction• Définition d’un cas test représentatif• Analyse physique du cas test• Activités en cours: LES et étude expérimentale

• Conclusion et perspectives

• Publications et modules de formation

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Publications et modules de formation• Conférence (à venir):

• AIAA Space Plane Conference, April 2011, San Fransisco (CA)• « Numerical Simulation of Self-Ignition in Supersonic Coflowing Jets using th

EPaSR Chemistry-Turbulence Interaction Model », Y. Moule, V. Sabel’nikov, A. Mura

• Modules de formation:• Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010)• Ecole de Combustion (CNRS) (2010)

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Questions

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