Simulation numérique de la combustion turbulente (Méthode de frontières immergées pour les écoulements compressibles, application à la combustion en aval d'une cavité)

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l écoulement principal et présence ou non d un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L existence d un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme.An immersed boundary method has been developed for the simulation of compressible flow and validated with reference test cases (pressure wave reflection and quantification of mass conservation for various inclined channels). Large Eddy Simulation (LES) of a transonic cavity is then presented. The aeroacoustic feedback loop, which is highly sensitive to the boundary conditions, was accurately reproduced where the walls are immersed inside a structured grid. The comparison between the modeling approaches for this transonic flow and the correction of the filtering operation near immersed boundaries are also discussed. The often underestimated role of the numerical artificial dissipation is also quantified.In the last part of this manuscript, many studies are realized to help in the design of a new combustion chamber for Trapped Vortex Combustor (TVC). The turbulent combustion model is based on tabulated chemistry and a presumed probability density function (PCM-FPI) method.The flame dynamics is studied for various operating conditions (flowrate of the main flow and presence of swirl motion). Details concerning the realization of such a flow are discussed and special care is taken for the treatment of the most sensitive outlet boundary condition. The phenomena of combustion instabilities and of flame backflow are highlighted along with the modifications to be made for the device to minimize these effects. The existence of a acoustic limit cycle is emphasized and a formula is proposed and validated to anticipate the level of pressure fluctuations. Finally a correction to the PCM-FPI model is suggested to preserve the flame front speed and to ensure a more accurate description of the flame dynamics.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Effets d'histoire sur la modélisation du mélange dans le contexte LES

The time history of mixing is known to play a crucial and non-trivial role in non-premixed turbulent combustion. In a first part, Eulerian balance equations are derived for both a flow residence time and a characteristic time of the mixing which the particles gathered in a fluid element have been submitted to in their flow histories. These equations are analyzed and solved in a Large Eddy Simulation (LES) context for a fuel jet mixing with an oxidizer coflow. Then a new SGS model for non-premixed turbulent flames is proposed on the basis of these new concepts

Large Eddy simulation of a trapped Vortex combustor

The Trapped Vortex Combustor (TVC) is a challenging configuration where flame stabilization is achieved through the presence of a cavity. The present work describes an unsteady non-reacting and reacting annular TVC flow studied with Large-Eddy Simulation and Immersed Boundaries Method. The combustion model is based on tabulated chemistry associated with a presumed PDF. The effects of local strain rate and of heat losses are included in the modelling. The simulations are compared with experimental results and the performance of the modelling closures is discussed

Etude de l'initiation et de la propagation de l'auto-inflammation dans un milieu présentant des inhomogénéités de température

Des simulations de l'auto-allumage par compression sont réalisées dans une configuration de Machine à Compression Rapide (MCR). Dans un premier temps, des résultats de simulations aux grandes échelles sont comparés avec des mesures expérimentales. Ensuite, la DNS de cette MCR est utilisée pour analyser les mécanismes contrôlant les noyaux précurseurs de l'allumage. Il est montré que les fluctuations locales de compression, quantifiées par l'historique de la divergence du champ de vitesse, ont un effet dominant sur l'allumage

Etude de l'interaction cinétique chimique/turbulence dans une flamme cryotechnique LOx/CHA4

Le travail de cette thèse porte sur la modélisation de la combustion du méthane et de l oxygène dans des conditions de pression et température typiques de celles rencontrées au sein des moteur-fusées. Pour cette application, des modèles de transports, de thermodynamiques et des équations d état de type gaz réel ont été implémentés au sein du code de calcul compressible utilisé. Le formalisme des conditions aux limites a été étendu aux gaz réels. La validation de l ensemble de cette modélisation a été effectuée. Pour la modélisation de la combustion, une méthode de chimie tabulée a été considérée. La méthode de calcul de la température TTC a été choisie et étendue au formalisme des gaz réels. Deux formes pour la tabulation de l équation d état gaz réel ont été proposées. Le formalisme du couplage entre la thermodynamique tabulée et les conditions aux limites caractéristiques est établi puis validé. L étude de l interaction chimie-turbulence au sein de la combustion LOx/CH4 à haute pression a ensuite été menée au travers de simulations basées sur des essais expérimentaux effectués sur le banc MASCOTTE de l ONERA.This work focuses on the methane and oxygene combustion modelisation under conditions typically uncountered in rocket engines. Modelisation under such conditions requires high pressure models for equation of state and transport and thermodynamic properties evaluation. Those models are implemented in the compressible CFD code used during this thesis and validated. Characteristic boundary conditions are also extended to high pressure formulation. The PCM-FPI method coupled with the TTC method for the temperature computation are chosen to model the combustion. Coupling between this evolved model and characteristic boundary conditions formulation is extended to the high pressure framework. Then the study of interaction between chemical kinetic and turbulence in a oxygen/methane high pressure flame is realised through simulations based on ONERA MASCOTTE test bench cases.ROUEN-INSA Madrillet (765752301) / SudocSudocFranceF

Analyse pour la LES d'une base de données de simulations directes

A Direct Numerical Simulation database of a realistic swirl burner is analyzed to provide novel Large-Eddy Simulation closures. The swirl burner features a flow Reynolds number of 40,000 and a turbulent Reynolds number of 1,400, and is operated with a lean air/methane mixture at a constant flow rate. The DNS is performed with a 2.6-billion cell unstructured mesh that leads to a resolution of 0.1 mm. The LES analysis is carried out from two angles: modeling of flux terms entering the balance equation for the reaction progress variable, and modeling of the subgrid-scale scalar variance

Visual activation of auditory cortex reflects maladaptive plasticity in cochlear implant users

Cross-modal reorganization in the auditory cortex has been reported in deaf individuals. However, it is not well understood whether this compensatory reorganization induced by auditory deprivation recedes once the sensation of hearing is partially restored through a cochlear implant. The current study used electroencephalography source localization to examine cross-modal reorganization in the auditory cortex of post-lingually deafened cochlear implant users. We analysed visual-evoked potentials to parametrically modulated reversing chequerboard images between cochlear implant users (n = 11) and normal-hearing listeners (n = 11). The results revealed smaller P100 amplitudes and reduced visual cortex activation in cochlear implant users compared with normal-hearing listeners. At the P100 latency, cochlear implant users also showed activation in the right auditory cortex, which was inversely related to speech recognition ability with the cochlear implant. These results confirm a visual take-over in the auditory cortex of cochlear implant users. Incomplete reversal of this deafness-induced cortical reorganization might limit clinical benefit from a cochlear implant and help explain the high inter-subject variability in auditory speech comprehensio

Temperature dependence of the dielectric permittivity of CaF2, BaF2 and Al2O3: application to the prediction of a temperature dependent van der Waals surface interaction exerted onto a neighbouring Cs (8P{3/2}) atom

International audienceThe temperature behaviour in the range 22°C to 500 °C of the dielectric permittivity in the infrared range is investigated for CaF2, BaF2 and Al2O3 through reflectivity measurements. The dielectric permittivity is retrieved by fitting reflectivity spectra with a model taking into account multiphonon contributions. The results extrapolated from the measurements are applied to predict a temperature-dependent atom-surface van der Waals interaction. We specifically consider as the atom of interest Cs (8P3/2), the most relevant virtual couplings of which, fall in the range of thermal radiation and are located in the vicinity of the reststrahlen band of fluoride materials