Impact of the chemical description on direct numerical simulations and large eddy simulations of turbulent combustion in industrial aero-engines

Le développement de nouvelles technologies pour le transport aérien moins polluant est de plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la chimie. Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est limitée par le coût calcul. Des mécanismes cinétiques réduits et des méthodes de tabulation ont été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été développées dans le cadre de configurations laminaires, cette thèse propose de les évaluer dans des configurations turbulentes: une DNS de flamme prémélangée méthane/air de type Bunsen et une LES d’un brûleur expérimental. Les mécanismes sont analysés en termes de structure de flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en espèces majoritaires et des émissions polluantes. Une méthodologie pour évaluer a priori la capacité d’un mécanisme à prédire correctement des phénomènes chimiques tridimensionnels est proposée en se basant sur les résultats de flammes laminaires monodimensionnelles non étirées et étirées. Il ressort que, d’une part, pour construire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse et qualité des résultats. D’autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations tridimensionnelles turbulentes peut être anticipée par une analyse du comportement des schémas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires non étirées et étirées. ABSTRACT : A growing need for numerical simulations based on reliable chemistries has been observed in the last years in order to develop new technologies which could guarantee the reduction of the enviromental impact on air transport. The description of combustion requires the use of detailed kinetic mechanisms for most hydro-carbons. Their use in turbulent combustion simulation is still prohibitive because of their high computational cost. Reduced chemistries and tabulation methods have been proposed to over-come this problem. Since all these reductions have been developed for laminar configurations, this thesis proposes to evaluate their performances in simulations of turbulent configurations such as a DNS of a premixed Bunsen methane/air flame and a LES of an experimental PREC-CINSTA burner. The mechanisms are analysed in terms of flame structure, global burning parameters, flame length, prediction of major species concentrations and pollutant emissions. An a priori methodology based on one-dimensional unstrained and strained laminar flames to evaluate the mechanism capability to predict three-dimensional turbulent flame features is therefore proposed. On the one hand when building a new reduced scheme, its requirements should be fixed compromising the computational cost, the robustness of the chemical description and the desired quality of results. On the other hand, the quality of DNS or LES results in three-dimensional configurations could be anticipated testing the reduced mechanism on laminar one-dimensional premixed unstrained and strained flames

Impact de la description chimique dans une simulation numérique directe et une simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente dans des foyers aéronautiques

Le développement de nouvelles technologies pour le transport aérien moins polluant est de plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la chimie. Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est limitée par le coût calcul. Des mécanismes cinétiques réduits et des méthodes de tabulation ont été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été développées dans le cadre de configurations laminaires, cette thèse propose de les évaluer dans des configurations turbulentes: une DNS de flamme prémélangée méthane/air de type Bunsen et une LES d’un brûleur expérimental. Les mécanismes sont analysés en termes de structure de flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en espèces majoritaires et des émissions polluantes. Une méthodologie pour évaluer a priori la capacité d’un mécanisme à prédire correctement des phénomènes chimiques tridimensionnels est proposée en se basant sur les résultats de flammes laminaires monodimensionnelles non étirées et étirées. Il ressort que, d’une part, pour construire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse et qualité des résultats. D’autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations tridimensionnelles turbulentes peut être anticipée par une analyse du comportement des schémas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires non étirées et étirées.A growing need for numerical simulations based on reliable chemistries has been observed in the last years in order to develop new technologies which could guarantee the reduction of the enviromental impact on air transport. The description of combustion requires the use of detailed kinetic mechanisms for most hydro-carbons. Their use in turbulent combustion simulation is still prohibitive because of their high computational cost. Reduced chemistries and tabulation methods have been proposed to over-come this problem. Since all these reductions have been developed for laminar configurations, this thesis proposes to evaluate their performances in simulations of turbulent configurations such as a DNS of a premixed Bunsen methane/air flame and a LES of an experimental PREC-CINSTA burner. The mechanisms are analysed in terms of flame structure, global burning parameters, flame length, prediction of major species concentrations and pollutant emissions. An a priori methodology based on one-dimensional unstrained and strained laminar flames to evaluate the mechanism capability to predict three-dimensional turbulent flame features is therefore proposed. On the one hand when building a new reduced scheme, its requirements should be fixed compromising the computational cost, the robustness of the chemical description and the desired quality of results. On the other hand, the quality of DNS or LES results in three-dimensional configurations could be anticipated testing the reduced mechanism on laminar one-dimensional premixed unstrained and strained flames