Multi-scale Eulerian-Lagrangian simulation of a liquid jet in cross-flow under acoustic perturbations

[EN] The design of modern aeronautical propulsion systems is constantly optimized to reduce pollutant emissions while increasing fuel combustion efficiency. In order to get a proper mixing of fuel and air, Liquid Jets Injected in gaseous Crossflows (LJICF) are found in numerous injection devices. However, should combustion instabilities appear in the combustion chamber, the response of the liquid jet and its primary atomization is still largely unknown. Coupling between an unstable combustion and the fuel injection process has not been well understood and can result from multiple basic interactions. The aim of this work is to predict by numerical simulation the effect of an acoustic perturbation of the shearing air flow on the primary breakup of a liquid jet. Being the DNS approach too expensive for the simulation of complex injector geometries, this paper proposes a numerical simulation of a LJICF based on a multiscale approach which can be easily integrated in industrial LES of combustion chambers. This approach results in coupling of two models: a two-fluid model, based on the Navier-Stokes equations for compressible fluids, able to capture the largest scales of the jet atomization and the breakup process of the liquid column; and a dispersed phase approach, used for describing the cloud of droplets created by the atomization of the liquid jet. The coupling of these two approaches is provided by an atomization and re-impact models, which ensure liquid transfer between the two-fluid model and the spray model. The resulting numerical method is meant to capture the main jet body characteristics, the generation of the liquid spray and the formation of a liquid film whenever the spray impacts a solid wall. Three main features of the LJICF can be used to describe, in a steady state flow as well as under the effect of the acoustic perturbation, the jet atomization behavior: the jet trajectory, the jet breakup length and droplets size and distribution. The steady state simulations provide good agreement with ONERA experiments conducted under the same conditions, characterized by a high Weber number (We>150). The multiscale computation gives the good trajectory of the liquid column and a good estimation of the column breakup location, for different liquid to air momentum flux ratios. The analysis of the droplet distribution in space is currently undergoing. A preliminary unsteady simulation was able to capture the oscillation of the jet trajectory, and the unsteady droplets generation responding to the acoustic perturbation.Thuillet, S.; Zuzio, D.; Rouzaud, O.; Gajan, P. (2017). Multi-scale Eulerian-Lagrangian simulation of a liquid jet in cross-flow under acoustic perturbations. En Ilass Europe. 28th european conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Editorial Universitat Politècnica de València. 782-789. https://doi.org/10.4995/ILASS2017.2017.4697OCS78278

Caractérisation d'un film liquide par Fluorescence Induite LED

International audienc

Simulations expérimentale et numérique des phénomènes de ruissellement et d'atomisation lors d'une procédure de lavage à l'eau

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90 situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures.This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90 elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Interdependence of climate, soil, and vegetation as constrained by the Budyko curve

The Budyko curve is an empirical relation among evapotranspiration, potential evapotranspiration and precipitation observed across a variety of landscapes and biomes around the world. Using data from more than three hundred catchments and a simple water balance model, the Budyko curve is inverted to explore the ecohydrological controls of the soil water balance. Comparing the results across catchments reveals that aboveground transpiration efficiency and belowground rooting structure have adapted to the dryness index and the phase lag between peak seasonal radiation and precipitation. The vertical and/or lateral extent of the rooting zone exhibits a maximum in semi-arid catchments or when peak radiation and precipitation are out of phase. This demonstrates plant strategies in Mediterranean climates in order to cope with water stress: the deeper rooting structure buffers the phase difference between precipitation and radiation. Results from this study can be used to constrain land-surface parameterizations in ungauged basins or general circulation models

Multi-scale simulation of the atomization of a liquid jet in cross-flow in the presence of an acoustic perturbation

International audienceThe reduction of pollutant emissions is currently a major concern in the aerospace sector. Among the proposed solutions, lean combustion appears as an effective technology to reduce the environmental impact. However, this type of technology may also favour the appearance of combustion instabilities. These instabilities, resulting from a thermo-acoustic coupling, can lead to irreversible damage to the combustion chambers.Experimental studies previously conducted at ONERA on a multipoint injector by Apeloig highlighted the importance of atomization on the instabilities loop. Indeed, the fuel vapour concentration near the injection zone has been shown to fluctuate in accordance with the imposed acoustic perturbation. The driving mechanism would then result from a flapping motion of the liquid jets in the multiple injection points, induced by the gas flow oscillations. This would in turn affect the characteristic convective timescales of the fuel, in the form of a spray or even of thin liquid films on the duct walls.In order to characterize this interaction, this work focuses on the unsteady simulation of a round liquid jet in the presence of a transverse gas flow in a rectangular section duct. Following an experimental study, the multi-scale numerical approach for multi-phase flows, implemented in the ONERA CEDRE code, has been tested in presence of an imposed acoustic perturbation. This approach consists of the coupling of three models: a multi-fluid model able to capture the largest scales of the liquid column atomization; a dispersed phase approach for the atomized spray, and a “Shallow Water” approach for wall films. The coupling of these approaches is provided by dedicated atomization and impact models, which ensure liquid transfer between the three models.Simulation results show that the multi-fluid solver is able to correctly capture the largest scales of the liquid jet. The simulated liquid jet trajectories match the experimental ones, as well as their dynamic response to the imposed acoustic perturbation. As the liquid is transferred to the dispersed phase solver, the jet motion deeply affects the spray formation and behaviour. Good agreement was found on the particle resulting mean velocity, but only partial agreement on the phase delay. An important wall deposition has been detected for particular jet positions as well

Étude et modélisation du comportement d'un écoulement annulaire dispersé (application à la mesure de débit de gaz humide à l'aide d'un débitmètre à Venturi)

Le travail proposé a pour but d'apporter des éléments de compréhension sur le comportement d un débitmètre gaz sec de type Venturi en con guration d'écoulement annulaire dispersé (gaz humide). Ce type d'écoulement se présente sous la forme d un mélange gaz/liquide avec des fractions volumiques de gaz supérieures à 99%. Le liquide se répartit à l'intérieur des conduites sous forme de gouttes et d'un lm ruisselant sur les parois. Ce sont les interactions entre le gaz et ces différents constituants qui in uencent l'erreur de mesure du débitmètre due à la présence du liquide. Pour pouvoir modéliser correctement cette erreur, une étude paramétrique est mise en place en conditions simpli ées (étude à basse pression, avec de l air et de l'eau, orientation verticale descendante). Des moyens d essais sont mis en place a n de générer des écoulements parfaitement calibrés en entrée de compteur. Une caractérisation ne de l'écoulement amont (distribution de la phase liquide dans la conduite, épaisseur du lm liquide en paroi, forme de l'interface, taille et vitesse des gouttes) couplée a des mesure de pression différentielle entre l'amont du débitmètre et le col, a été réalisée. À partir des informations recueillies, les paramètres et lois de fermetures les plus pertinents sont sélectionnés pour élaborer un modèle physique décrivant le comportement du Venturi. Ce dernier est basé sur une écriture monodimensionnelle des équations de conservations de masse et de quantité de mouvement pour chaque phase. La comparaison entre les résultats du modèle et les données expérimentales donne des résultats satisfaisants. De plus, l'étude de la contribution des différents phénomènes pris en compte par le modèle apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes qui contrôlent le comportement du compteur. Ainsi, les phénomènes d atomisation de lm au niveau de la jonction convergent/col apparaît comme déterminants.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Développement d'une boucle expérimentale de contrôle actif sur un écoulement de type marche descendante en vue de piloter les couplages aéroacoustiques et modifier le mélange diphasique

Cette étude s'inscrit dans le cadre des recherches menées sur le contrôle actif des écoulements. Elle concerne l'application de ces méthodes aux chambres de combustion afin d'optimiser leur performances et contrôler l'apparition des instabilités de combustion. Les phénomènes sont complexes et de nombreux paramètres conditionnent le fonctionnement. Un des paramètres essentiel est l'organisation de l'écoulement porteur, de type recirculé, dont l'organisation est influencée par des couplages entre l'acoustique de la chambre et l'aérodynamique instationnaire. L'étude expérimentale entreprise porte sur le contrôle d'un écoulement recirculé de marche descendante, écoulement représentatif de ceux apparaissant en chambres de combustion. Nous cherchons à piloter les couplages aéroacoustiques impliqués dans l'apparition des instabilités de combustion, et à modifier le mélange diphasique. Par soucis de simplification, l'étude est menée en écoulement non réactif. L'augmentation de pression due à la combustion, qui constitue la source d'excitation en écoulement réactif, est simulée par une excitation acoustique provenant de deux haut-parleurs. La boucle de contrôle est basée sur l'utilisation de capteur microphonique ou fil-chaud, d'un actionneur acoustique, et repose sur un algorithme R-LMS. Les résultats de contrôle de l'écoulement excité sont concluants. Les couplages aéroacoustiques sont fortement atténués et les phénomènes représentatifs des instabilités de combustion sont contrôlés. L'approche théorique globale menée permet de proposer une loi de décomposition d'un des paramètres représentatifs de l'écoulement. Enfin, une étude est entreprise sur l'interaction gouttes/tourbillon lors de l'injection du carburant sous forme liquide, afin de dégager les paramètres d'injection influençant la répartition spatiale des gouttes. Les résultats obtenus permettent d'identifier le déphasage entre l'injection des gouttes et le détachement tourbillonnaire comme un paramètre déterminant.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Caractérisation aérodynamique d'un écoulement avec injection pariétale de type dilution giratoire en vue de sa modélisation

Dans les turbomachines, pour protéger les parois des chambres de combustion exposées à de très fortes températures, la technique de refroidissement par multiperforation s'avère particulièrement efficace. Cette technique consiste à faire passer une partie de l'air provenant du compresseur à travers la paroi de la chambre de combustion par des milliers d'orifices de petit diamètre. Lors du développement des nouvelles chambres, la prise en compte de ce type d'injection dans les simulations numériques s'avère toutefois difficile à cause de la petite taille et du très grand nombre des perforations. Le travail effectué durant cette thèse vise à la fois à optimiser cette technique d'injection et à améliorer sa prise en compte dans les simulations numériques. Des campagnes d'essais sont réalisées pour étudier l'effet de l'orientation, longitudinale ou giratoire, du flux d'air protecteur. Une action significative de ce paramètre est démontrée sur la protection de la paroi et sur le mélange de l'air de refroidissement avec l'écoulement incident. Les modèles existants assurant la prise en compte de l'injection par multiperforation sont testés sur la base de données expérimentales générée. Ces modèles montrant un comportement qualitatif avec des faiblesses en proximité de la paroi, des mesures expérimentales et des simulations numériques stationnaires puis instationnaires sont entreprises sur une configuration à grande échelle. L'écoulement y est étudié en détails, à l'échelle des jets. Une analyse de l'interaction entre les jets et l'écoulement incident est effectuée dans la perspective d'améliorer les modèles d'injection d'air au travers de parois multiperforées.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF