Hybrid Eulerian-Lagrangian method for soot modelling applied to ethylene-air premixed flames

International audienceSoot formation has become an important issue in the design of gas turbine combustors due to its environmental impact and its contribution to radiative heat transfer in the combustion chamber. However, efficient and accurate prediction of soot particles formation, growth, oxidation and interaction in gas turbine combustors is still an open field in computational fluid dynamics. The present approach proposes to combine a reduced gas-phase chemistry, a sectional model for polycyclic aromatic hydrocarbons, and a Lagrangian description of soot particles dynamics. The Lagrangian description has been chosen for its ability to simulate the evolution of the particle size distribution. A numerical procedure is proposed to minimise its CPU cost. This approach was successfully applied to the simulation of steady laminar premixed ethylene-air flames at three fuel equivalence ratios, which constitutes a prerequisite towards its use in an aeronautical combustion chamber.La formation de particules de suie constitue un enjeu du design des moteurs aéronautiques, du fait des contraintes environnementales croissantes dans l'industrie des transports et de la contribution importante des suies au rayonnement dans les chambres de combustion. Toutefois, en CFD, il n'existe actuellement aucune méthode à la fois précise et efficace pour la prédiction de la formation, de la croissance et de l'oxydation des particules de suie. Ainsi, l'approche présentée ici propose de décrire la chimie en phase gazeuse par un mécanisme réactionnel réduit combiné à un modèle sectionnel pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH), et d'y coupler une description Lagrangienne de la dynamique des particules de suie. La description Lagrangienne est en effet très utile pour simuler l'évolution de la distribution en taille des particules. Une méthode numérique de réduction de population permet également ici de réduire le coût CPU du solveur Lagrangien. L'approche a été appliquée avec succès à la simulation de flammes laminaires stationnaires de prémélange à trois richesses différentes, ce qui constitue une première étape vers l'application à un foyer aéronautique

Methodology for the numerical prediction of pollutant formation in gas turbine combustors and associated validation experiments

International audienceFor aircraft engine manufacturers the formation of pollutants such as NOx or soot particles is an important issue because the regulations on pollutant emissions are becoming increasingly stringent. In order to comply with these regulations, new concepts of gas turbine combustors must be developed with the help of simulation tools. In this paper we present two different strategies, proposed by ONERA and DLR respectively, to simulate soot or NOx formation in combustors. The first one is based on simple chemistry models allowing significant effort to be spent on the LES description of the flow, while the second one is based on more accurate, but also more expensive, models for soot chemistry and physics. Combustion experiments dedicated to the validation of these strategies are described next: The first one, performed at DLR, was operated at a semi-technical scale and aimed at very accurate and comprehensive information on soot formation and oxidation under well-defined experimental conditions; the second one, characterized at ONERA, was aimed at reproducing the severe conditions encountered in realistic gas turbine combustors. In the third part of the paper the results of combustion simulations are compared to those of the validation experiments. It is shown that a fine description of the physics and chemistry involved in the pollutant formation is necessary but not sufficient to obtain quantitative predictions of pollutant formation. An accurate calculation of the turbulent reactive flow interacting with pollutant formation and influencing dilution, oxidation and transport is also required: when the temperature field is correctly reproduced, as is the case of the ONERA simulation of the DLR combustor, the prediction of soot formation is quite satisfactory while difficulty in reproducing the temperature field in the TLC combustor leads to overestimations of NOx and soot concentrations.Pour les constructeurs de moteurs d’avion, la formation de polluants comme les NOx ou les particules de suies est une question importante car la réglementation sur les émissions polluantes est de plus en plus sévère. Pour respecter cette réglementation, de nouveaux concepts de foyers de turbine à gaz doivent être développés avec l’aide d’outils de simulation. Dans cet article, nous présentons deux stratégies différentes proposées par l’ONERA et le DLR pour simuler la formation des suies et des NOx dans les chambres de combustion. La première est basée sur des modèles chimiques simples permettant de faire porter l’effort de calcul sur la description LES de l’écoulement, tandis que la seconde est basée sur des modèles physico-chimiques de formation des suies plus précis mais aussi plus coûteux en temps de calcul. Des expériences de combustion conçues pour la validation de ces stratégies sont ensuite décrites : La première, réalisée au DLR, reproduit la combustion à une échelle semi-industrielle et a pour but de donner une information très précise et complète sur les mécanismes de formation des suies et leur oxydation dans des conditions expérimentales parfaitement maîtrisées ; la seconde, réalisée à l’ONERA, a pour but de reproduire de façon réaliste les conditions sévères rencontrées dans les foyers de turbine à gaz industrielles. Dans la troisième partie du papier, les résultats des simulations de combustion sont comparés à ceux des expériences de validation. Il est démontré que la description précise de la physique et de la chimie intervenant dans la formation des polluants est nécessaire mais non suffisante pour simuler correctement les quantités de polluants formés. Un calcul précis de l’écoulement turbulent réactif interagissant avec les mécanismes de formation, de dilution, d’oxydation et de transport des polluants est également nécessaire : Lorsque le champ de température est correctement reproduit comme c’est le cas pour la simulation ONERA du foyer DLR, la simulation de la formation des suies est assez satisfaisante, alors qu’une difficulté pour reproduire le champ de température dans le foyer TLC conduit à une surestimation des concentrations de NOx et de suies

Effects of hydroxyapatite and PDGF concentrations on osteoblast growth in a nanohydroxyapatite-polylactic acid composite for guided tissue regeneration

The technique of guided tissue regeneration (GTR) has evolved over recent years in an attempt to achieve periodontal tissue regeneration by the use of a barrier membrane. However, there are significant limitations in the currently available membranes and overall outcomes may be limited. A degradable composite material was investigated as a potential GTR membrane material. Polylactic acid (PLA) and nanohydroxyapatite (nHA) composite was analysed, its bioactive potential and suitability as a carrier system for growth factors were assessed. The effect of nHA concentrations and the addition of platelet derived growth factor (PDGF) on osteoblast proliferation and differentiation was investigated. The bioactivity was dependent on the nHA concentration in the films, with more apatite deposited on films containing higher nHA content. Osteoblasts proliferated well on samples containing low nHA content and differentiated on films with higher nHA content. The composite films were able to deliver PDGF and cell proliferation increased on samples that were pre absorbed with the growth factor. nHA–PLA composite films are able to deliver active PDGF. In addition the bioactivity and cell differentiation was higher on films containing more nHA. The use of a nHA–PLA composite material containing a high concentration of nHA may be a useful material for GTR membrane as it will not only act as a barrier, but may also be able to enhance bone regeneration by delivery of biologically active molecules

Simulations numériques d'écoulements réactifs massivement décollés par une approche hybride RANS/LES

Les premières simulations numériques d'écoulements réactifs sur des configurationscomplexes ont été réalisées à l'aide d'approches RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Ces dernières, bien adaptées aux écoulements de type couches limites attachées et relativement peu coûteuses en temps de calcul, ne donnent accès qu'à des résultats stationnaires qui s'éloignent parfois de la réalité. Pour réaliser des simulations instationnaires d'écoulements, les méthodes de type LES (Large Eddy Simulation) - plus précises mais plus coûteuses - sont de plus en plus utilisées. Cependant, ces méthodes sont mal adaptées à la simulation de la dynamique pariétale, car elles nécessitent un effort de maillage souvent prohibitif près de la paroi. Cette thèse est consacrée au développement dans le code CEDRE (code de simulation d'écoulements réactifs complexes de l'Onera) d'une méthode hybride RANS/LES, appelée Delayed Detached Eddy Simulation (DDES), et à son application à des écoulements réactifs massivement décollés. Après une étape de validation sur des couches limites attachées, la DDES a été appliquée à la simulation des écoulements inerte et réactif dans une chambre de combustion en forme de marche descendante (A3C) et comparée aux résultats des approches RANS et LES classiques, ainsi qu'aux résultats expérimentaux. Cette méthode a ensuite permis de réaliser l'étude de la dynamique de l'écoulement réactif décollé dans la tuyère ATAC montée sur le banc cryotechnique MASCOTTE de l'Onera.The first numerical simulations of reactive flows on complex configurations were performed using RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) approaches. These methods, which are well adapted to attached boundary layer flows and relatively not expensive in computation time, provide only steady results, which may not correctly reproduce reality. For unsteady flow simulations, LES (Large Eddy Simulation) method - more accurate but more expensive are increasingly employed. However, these approaches are poorly suited to simulate wall turbulence since they often require a prohibitive meshing effort close to the wall. This PhD thesis is devoted to the development in the CEDRE code (Onera code for the simulation of complex reactive flows) of a hybrid RANS/LES approach, called Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) and to its application to massively separated reactive flows. After a step of validation on attached boundary layers, the DDES is applied to the simulation of the inert and reactive flows in a backward facing step combustor (A3C) and compared to the results obtained by RANS and LES approaches, as well as to experimental results. The DDES has then been used to study the dynamics of the separated reactive flow in the ATAC nozzle mounted on the cryotechnic MASCOTTE facility of Onera.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Modélisation des phénomènes couples combustion-formation des suies-transferts radiatifs dans les chambres de combustion de turbine à gaz

Pour concevoir des foyers aéronautiques plus fiables et moins polluants, les industriels ont de plus en plus recours à des simulations numériques s appuyant sur de nombreux modèles physiques. Si l on s intéresse en particulier aux problématiques des charges thermiques pariétales et des émissions polluantes, la modélisation des phénomènes couplés de combustion, de formation des suies et de transfert radiatif est nécessaire. Ainsi, cette thèse a pour objectif de développer une méthodologie permettant de simuler ces phénomènes couplés de manière instationnaire, dans un foyer représentatif des systèmes industriels. Un modèle de formation des suies simple et robuste, à caractère empirique, a d abord été mis au point sur une configuration de flamme 1D laminaire prémélangée. Ce modèle a été choisi car, étant compatible avec des mécanismes réactionnels globaux, il est bien adapté aux simulations instationnaires en géométrie complexe. Dans un deuxième temps, il a été appliqué à la simulation instationnaire de l écoulement turbulent réactif diphasique dans un foyer doté d un prototype d injecteur industriel. Les niveaux de température obtenus ainsi que la topologie du champ de fraction volumique de suies ont été comparés aux résultats expérimentaux. Les écarts constatés ont été analysés et des corrections ont été proposées. Enfin, une stratégie de couplage entre l approche LES (Large Eddy Simulation) et un outil de simulation des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo a été mise au point et éprouvée sur le foyer étudié. L écoulement apparaît peu affecté par le rayonnement, mais en revanche, les transferts radiatifs ont un impact relativement important sur les flux reçus par les paroisNumerical simulations, involving numerous physical models, are more and more employed to design more reliable and less pollutant industrial combustors. In particular, focusing on wall thermal load and pollutant emission issues, coupled phenomena such as combustion, soot formation and radiative transfer have to be modelled. Thus, the aim of this PhD thesis is to develop a methodology to simulate these coupled phenomena in an unsteady way, in an industrial-like combustion chamber. A simple and robust empirical soot formation model has been developed and applied in a first step to a 1D laminar premixed flame configuration. This model was chosen because it is well adapted to unsteady simulations in complex geometries, as it is compatible with global reaction mechanisms. In a second step it was applied to the unsteady simulation of the two-phase turbulent reactive flow in a combustor equipped with an industrial injector prototype. Predicted temperature levels and topology of the soot volume fraction field were compared to experimental results. Some discrepancies were observed: they were analysed and corrections were proposed. Finally, a coupling strategy between the LES (Large Eddy Simulation) approach and a radiative transfer simulation tool based on the Monte Carlo method was developed and tested on the same combustor. It appears that radiative transfer does not greatly modify the flow, but has a relatively important effect on wall heat fluxes.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Etude numérique d'un écoulement subsonique dans une conduite composant une marche

Rapport R 93-1 du Laboratoire d'Aérothermique du CNRS, Meudon, décembre 1992

Etude de la coquille d'oeuf comme substitut osseux d'origine naturelle en chirurgie reconstructrice

Cette thèse visait à tester un produit d'origine naturelle, la coquille d'oeuf, comme substitut osseux.La première partie de la thèse est une étude bibliographique examinant les principaux phénomènes et problèmes liés au sujet, notamment les composantes minérales et organiques de la coquille d'œuf. La deuxième partie décrit les études expérimentales conduites sur plus de 200 animaux et plusieurs modèles différents, dont les détails et les résultats sont rapportés sous forme de 9 articles présentés en annexe. Le comportement biologique de la coquille a été évalué à travers les paramètres suivants : biocomptabilité, ostéoinduction, ostéoconduction, et résorption. Certains résultats favorables nous ont permis d'initier des essais cliniques, qui devraient servir à établir le rapport coût-bénéfice de ce dispositif médical original. Le mémoire et les discussions des divers points se terminent par une conclusion générale faisant ressortit les acquis originaux et la perception personnelle de l'auteur au regard de l'aspect pratique lié à l'exploitation thérapeutique des substituts osseux étudiés.MONTPELLIER-BU Pharmacie (341722105) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF