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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline Physique,
Spécialité Energétique

Par

Alexandre NAUDIN

Soutenue le 10 novembre 2008

Simulation des grandes échelles de la combustion turbulente avec chimie détaillée tabulée
Jury

Rapporteurs :
Laurent GICQUEL, Chercheur Senior, CERFACS, Toulouse
Olivier GICQUEL, Professeur, Ecole Centrale Paris

Directeurs de thèse :
Pascale DOMINGO, Chargée de recherche CNRS, CORIA, INSA Rouen
Luc VERVISCH, Professeur, INSA Rouen, Institut Universitaire de France

Examinateurs :
Françoise BAILLOT, Professeur, Université de Rouen
Benoît FIORINA, Maître de Conférences, Ecole Centrale Paris

Simulation des grandes échelles de la combustion turbulente avec chimie détaillée tabulée

L’accroissement de la consommation mondiale en énergie, l’épuisement des ressources fossiles, et la dégradation irréversible des écosystèmes par la pollution définissent le contexte actuel des études en combustion. Un défi majeur consiste en effet à améliorer l’efficacité des systèmes industriels : la modélisation de la combustion turbulente avec l’aide de l’outil informatique par la Simulation des Grandes Echelles (LES) est une voie intéressante. L’outil de LES retenu pour la suite du travail est le solveur compressible AVBP de par le compromis offert entre précision, stabilité, et efficacité des calculs sur des architectures informatiques parallèles. Le modèle de combustion turbulente choisi combine une approche à base de fonction de densité de probabilité pour la turbulence (PCM) avec une tabulation chimique détaillée (FPI). La méthode PCM-FPI est validée avec AVBP avec des flammes laminaires de prémélange Méthane/air avec cinétique détaillée. Son couplage optimal est obtenu par la fermeture des taux de réaction des espèces pouvant être directement tabulés ou recombinés : d’où la nécessité de réduire le nombre d’espèces en utilisant une méthode de sélection basée sur l’établissement de critères massique, calorifique et énergétique. Une étude phénoménologique des écoulements turbulents en giration est ensuite présentée : la simulation non-réactive de ce type d’écoulement permet d’introduire une méthode de raffinement de maillage ainsi qu’une méthode d’estimation de la convergence axisymétrique. L’approche globale PCM-FPI est finalement validée avec des simulations de configurations académiques de flammes de prémélange : deux écoulements en giration et l’auto inflammation d’un jet d’hydrogène. L’aérodynamique et les espèces majoritaires sont correctement prédites, ce qui nous permet en conclusion de proposer des pistes concrètes d’améliorations.

Mots clés : modélisation de la combustion turbulente, simulation des grandes échelles, chimie tabulée, écoulements en giration, raffinement de maillage

Large Eddy Simulation of turbulent combustion with detailed tabulated chemistry

The growth of world energy consumption, the depletion of fossil energy resources, and the irreversible ecosystem transformations due to pollutants define the current context of the combustion studies. As a matter of fact, a major challenge consists in improving the efficiency of industrial systems : turbulent combustion modelling with computer-aided tools like Large Eddy Simulation (LES) is an interesting way. For this work has been chosen the compressible fluid solver AVBP, able to offer an optimum balance between precision, stability, and efficiency on parallel computer architectures. The retained turbulent combustion model combines Probability Density Functions for turbulence (PCM) with a detailed tabulated chemistry (FPI). The PCM-FPI method is then validated with AVBP on premixed laminar flames of Methane/air with detailed kinetics. Optimum coupling is obtained with reaction rate closure of the transported species that can be directly tabulated or recombined : that is why a reduction of the number of species is needed, by using a selection method based on mass, calorific and energy-based criteria. A phenomenological study of turbulent swirling flows is then presented and non-reactive simulations are computed. A mesh refinement method as well as an axi-symmetric convergence estimation are introduced subsequently. PCM-FPI model is finally validated on academic simulations of premixed-flames : two swirling flows and the auto-ignition of hydrogen jet. The global flow and species fields are correctly predicted, allowing us to conclude with some proposals of concrete improvements.

Keywords : turbulent combustion modelling, large eddy simulation, tabulated chemistry, swirl flow, mesh refinement

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