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Thèse présentée à

UFR des Sciences de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Énergétique

Par

Nicolas BARICAULT

Soutenue le 9 juin 2005

Modélisation de la combustion des sprays par une approche de type RANS/PDF calculée.
Prise en compte de l’intermittence aux petites échelles.
Jury

Rapporteurs :
Dirk Roekaerts - Professeur, Université de Delft
Sergei Sazhin - Professeur, Université de Brighton

Examinateurs :
Francis Dupoirieux - Directeur scientifique, ONERA
Pascal Durand - Ingénieur d’études, CNES
Mikhaël Gorokhovski - Professeur, Université de Rouen

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation de la combustion des sprays par une approche de type RANS/PDF calculée. L’accent est mis sur la prise en compte de l’intermittence aux petites échelles dans le phénomène de mélange turbulent. Pour le cas du mélange en présence de gouttes se vaporisant, le modèle de micro-mélange de Sabel’nikov & Gorokhovski a été étendu. L’application de ce modèle est faite dans le cadre d’un couplage entre un code de calcul numérique RANS (KIVA II) et une méthode de type PDF calculée. Deux types de problèmes sont considérés : (i) la modélisation de l’auto-allumage et de la formation des suies dans un spray turbulent de type Diesel ; (ii) la modélisation d’une flamme libre de méthanol avec un coflow d’air.
Dans le premier cas, la PDF jointe des scalaires est modélisée par les particules stochastiques avec la chimie globale (modèle d’auto-allumage de type Shell ; modèle de formation des suies de Borghi & Gorokhovski). Cette modélisation permet de calculer le taux turbulent des réactions chimiques de façon exacte. L’approche réalisée permet de modéliser l’auto-allumage et la formation des suies de façon plus réaliste par rapport à l’approche standard : le temps d’auto-allumage et les fluctuations de température sont prédits plus proche de l’expérience ; les distributions de suies correspondent également mieux aux mesures ; les champs de scalaires calculés possèdent une structure avec des îlots.
Pour le deuxième problème, une méthode de fractionnement de l’équation de la PDF jointe est proposée. Notamment, les termes de transport de cette équation ainsi que le mélange dans l’espace des phases sont résolus par la méthode de type différences finies alors que la chimie est modélisée en utilisant la méthode de type Monte-Carlo pour les particules stochastiques. Cela permet l’égalité entre la moyenne RANS et celle de la PDF et la réduction considérable du temps de calcul. L’influence de la vitesse du coflow sur la structure de la flamme est étudiée et comparée à l’expérience.
Mots clés : modélisation numérique ; combustion en milieu diphasique ; modèle de micro-mélange ; intermittence ; auto-allumage ; formation des suies ; méthode de type PDF ; moteur de type Diesel ; moteur-fusée.

Abstract
This work of thesis is devoted to the modeling of the combustion of the sprays by an approach of the type RANS/calculated PDF. The stress is laid on the taking into account of the intermittency at the small scales in the phenomenon of turbulent mixture. For the case of the mixture in the presence of vaporizing drops, the model of micro-mixing by Sabel’nikov & Gorokhovski was extended. The application of this model is made within the framework of a coupling between a numerical computer code RANS (KIVA II) and a calculated method of the type PDF. Two types of problems are considered : (i) the modeling of the auto-ignition and the formation of soot in a turbulent spray of Diesel type ; (ii) the modeling of a free methanol flame with a coflow of air.
In the first case, the joint PDF of the scalars is modeled by the stochastic particles with global chemistry (model of auto-ignition of the Shell type ; model of formation of soot by Borghi & Gorokhovski). This modeling makes it possible to calculate the turbulent rate of the chemical reactions in an exact way. The approach carried out makes it possible to model the auto-ignition and the formation of soot in a more realistic way compared to the standard approach : the time of auto-ignition and the fluctuations of temperature are predicted nearer to the experiment ; the distributions of soot correspond also better to measurements ; the fields of calculated scalars have a structure with small islands.
For the second problem, a method of fractionation of the equation of the joint PDF is proposed. In particular, the terms of transport of this equation as well as the mixture in the space of the phases are solved by the method of the type finished differences whereas chemistry is modeled by using the method of the Monte Carlo type for the stochastic particles. That allows the equality between average RANS and that of the PDF and the considerable reduction of the computing time. The influence of the speed of the coflow on the structure of the flame is studied and compared with the experiment.
Key-words : numerical modeling ; diphasic combustion ; micro-mixing model ; intermittency ; auto-ignition ; formation of soot ; method of the type PDF ; Diesel engine ; rocket engine.

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