The staged combustion aft-injected hybrid (SCAIH) rocket motor is a promising design for the future of hybrid rocket propulsion. Advances in computational fluid dynamics and scientific computing have made computational modelling an effective tool in design and development. The focus of this thesis is the numerical modelling of the SCAIH rocket motor in a turbulent combustion, high-speed, reactive flow accounting for solid soot transport and radiative heat transfer. The SCAIH motor has a shear coaxial injector with liquid oxygen injected centrally at sub-critical conditions: 150K, 150m/s (Mach≈0.9), and a gas-generator gas-solid mixture of one-third carbon soot by mass injected in the annual opening at 1175K, and 460m/s (Mach≈0.6). Flow conditions in the near injector region and the flame anchoring mechanism are of particular interest. Overall, the flow is shown to exhibit instabilities and the flame is shown to anchor directly on the injector faceplate with temperatures in excess of 2700K.

In the present work, the processes of steady combustion and autoignition of hydrogen are investigated using the Conditional Moment Closure (CMC) model with a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) Computational Fluid Dynamics (CFD) code. A study of the effects on the flowfield of changing turbulence model constants, specifically the turbulent Schmidt number, Sct, and C epsilon 1 of the k − epsilon model, are investigated. The effects of two different mixing models are explored: the AMC model, which is commonly used in CMC implementations, and a model based on the assumption of inhomogeneous turbulence. The background equations required for implementation of the CMC model are presented, and all relevant closures are discussed. The numerical implementation of the CMC model, in addition to other techniques aimed at reducing computational expense of the CMC calculations, are provided. The CMC equation is discretised using finite volume (FV) method. The CFD and CMC calculations are fully coupled, allowing for simulations of steady flames or flame development after the occurrence of autoignition. Through testing of a steady jet flame, it is observed that the flowfield calculations follow typical k − epsilon model trends, with an overprediction of spreading and an underprediction of penetration. The CMC calculations are observed to perform well, providing good agreement with experimental measurements. Autoignition simulations are conducted for 3 different cases of turbulence constants and 7 different coflow temperatures to determine the final effect on the steady flowfield. In comparison to the standard constants, reduction of Sct results in a reduction of the centreline mixing intensity within the flowfield and a corresponding reduction of ignition length, while reducing C 1 results in an increase of centreline mixing intensity and an increase in the ignition length. All scenarios tested result in an underprediction of ignition length in comparison to experimental results; however, good agreement with the experimental trends is achieved. At low coflow temperatures, the effects of mixing intensity within the flowfield are seen to have the largest influence on ignition length, while at high coflow temperatures, the chemical source term in the CMC equation increases in magnitude, resulting in very little difference between predictions for different sets of turbulence constants. The inhomogeneous mixing model is compared using the standard turbulence constants. A reduction of ignition lengths in comparison to the AMC model is observed. In steady state simulation of the autoigniting flow, the inhomogeneous model is observed to predict both lifted flames and fully anchored flames, depending on coflow temperature.

L’enrichissement des hydrocarbures par l’hydrogène permet d’améliorer les performances de la combustion pauvre (augmentation de la réactivité, résistance à l’étirement, stabilité, réduction des polluants, …). Il est primordial de connaitre les caractéristiques de la combustion de ces combustibles hybrides dans différentes conditions, afin de pouvoir les utiliser d’une manière sûre et efficace dans les installations pratiques. L’approche expérimentale reste coûteuse et limitée à certaines conditions opératoires. Cependant, le calcul numérique peut constituer la solution la plus adaptée, compte tenu du progrès réalisé dans le domaine de l’informatique et de la modélisation. Dans ce contexte, ce travail que nous avons effectué à l’ICARE (Institut de Combustion, Aérothermique et Réactivité, CNRS Orléans) vise à compléter les résultats des essais expérimentaux. Les effets de la richesse du mélange et l’ajout de l’hydrogène sur la structure et la formation des polluants sont étudiés dans ce travail. L’augmentation de la richesse du combustible permet de stabiliser la flamme, mais augmente la température et produit plus de CO, CO2 et NOx. Par contre, l’addition de H2 augmente l’efficacité du mélange, stabilise la flamme avec une légère élévation de la température maximale et une diminution des fractions massiques de CO, CO2 et NOx. Le remplacement d’une fraction de 10% où même 20% du gaz principal par l’hydrogène améliore les performances des installations et ne nécessite aucune modification sur les systèmes de combustion. / Fuel blending represents a promising approach for reducing harmful emissions from combustion systems. The addition of hydrogen to hydrocarbon fuels affects both chemical and physical combustion processes. These changes affect among others flame stability, combustor acoustics, pollutant emissions and combustor efficiency. Only a few of these issues are understood. Therefore, it is important to examine these characteristics to enable using blend fuels in practical energy systems productions. The experimental approach is restricted in general to specific operating conditions (temperature, pressure, H2 percentage in the mixture, etc.) due to its high costs. However, the numerical simulation can represent a suitable less costly alternative. The aim of this study done at ICARE is to complete the experiments. Equivalence ratio and hydrogen enrichment effects on lean methane/air flame structure were studied. The increase of the equivalence ratio, increases flame temperature and stability but produces more CO, CO2 and NOx. Hydrogen blending, increases flame stability and reduces emissions. The replacement of 10% or 20% of the fuel by hydrogen enhances installation efficiency with no modifications needed on the combustion system.

En physique des explosifs, la postcombustion désigne la phase de combustion qui intervient après la fin de la détonation lorsque l’explosif considéré est initialement déficient en oxydant. Les produits de détonation, qui apparaissent sous la forme d’une boule de feu, peuvent alors à leur tour être oxydés, ce qui permet de libérer une quantité supplémentaire d’énergie dans l’écoulement et d’augmenter le souffle. Ce phénomène complexe est piloté par l’interaction entre des ondes de chocs, une zone de mélange turbulente créée par des instabilités hydrodynamiques de type Rayleigh-Taylor et Richtmyer-Meshkov, et une flamme de diffusion. Compte tenu de son effet significatif sur la performance d’une explosif, une bonne compréhension de la postcombustion est nécessaire afin de pouvoir la modéliser et déterminer avec précision les effets d’une charge donnée. A cette fin, des travaux, à la fois numériques et expérimentaux, ont été menés afin de mieux comprendre le processus de mélange intervenant dans les boules de feu puis le phénomène dans son ensemble. Afin de contourner les difficultés liées à la caractérisation des produits de détonation, cette étude s’est concentrée sur l’explosion de capacités sphériques sous pression qui permet de produire un écoulement similaire à celui provoqué par une détonation sphérique. Les résultats obtenus sont semblables à ceux de la littérature sur la postcombustion des explosifs et apportent un éclairage nouveau sur l’influence de certains paramètres tels que la masse de l’explosif ou les propriétés des perturbations initiant les instabilités. / In the field of high explosives, the afterburning corresponds to the combustion processes occurring right after the end of a detonation, when the explosive used is originally oxidizer-deficient. Its detonation products, which appears as a fireball, can then be oxidised. The additional energy that their combustion generates enhances the blast and improves the explosive performance. This complex phenomenon is driven by the interaction between shock waves, a turbulent mixing layer caused by the emergence of Raylegh-Taylor and Richtmyer-Meshkov instabilities, and a diffusion flame. Because of its significant influence on the blast, a good understanding of the afterburning is thus necessary in order to model and predict accurately the effects of a given explosive device. To this end, an experimental and numerical work was conducted in order to, first, better understand the mixing process inside fireballs and, then, the whole phenomenon. In order to avoid the difficulties due to the imprecise characterisation of the detonation products, this study focused on the explosions of pressurised vessels which produces a flow similar to the one following a spherical detonation. The results are in good agreement with the ones found in the literature about the afterburning of high explosives. They also shed a new light on the influence of some parameters such as the mass of the charge or the properties of the perturbations initiating the instabilities.

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 parois / Numerical 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.

Dans un contexte où les questions environnementales et énergétiques ont une importance capitale, les constructeurs automobiles sont fortement poussés à développer des moteurs à combustion interne toujours plus économes et moins polluants. Pour le développement de procédés de combustion innovants et l'amélioration de leur compréhension, la simulation aux grandes échelles apparaît comme un outil prometteur. Ce travail de thèse traite du développement et de la validation d'un modèle pour la simulation aux grandes échelles de la combustion Diesel. Le modèle ADF-PCM, basé sur la tabulation de flammes de diffusion approchées auto-inflammantes étirées et permettant la prise en compte d'une cinétique chimique détaillée, est utilisé dans ces travaux. Le modèle ADF est tout d'abord introduit. Il permet d'approximer des flammes de diffusion laminaires à partir de flammelettes dont les termes chimiques proviennent de calculs de réacteurs homogènes. La première étape de ces travaux consiste à valider ces flammes de diffusion approchées dans des configurations proches de celles observées dans les moteurs Diesel. Le modèle ADF-PCM, initialement développé dans un formalisme RANS, est ensuite étendu à un formalisme LES pour des écoulements diphasiques et intégré dans le code LES compressible AVBP. Un modèle de stratification en température ainsi que les termes de couplage avec la phase liquide décrite par un formalisme Eulérien sont développés. Le modèle ADF-PCM est ensuite validé sur deux expériences de sprays Diesel en enceinte fermée. Il permet une bonne reproduction des résultats expérimentaux en termes de délai d'auto-inflammation, de dégagement de chaleur et de hauteur d'accrochage de la flamme. Les prédictions du modèle ADF-PCM sont ensuite comparées avec celles d'autres modèles faisant différentes hypothèses simplificatrices par rapport à la structure de flamme et la stratification en sous-maille de la fraction de mélange. Les résultats obtenus à l'aide de ces différents modèles soulignent la nécessité de la prise en compte de ces effets, même pour des résolutions spatiales fines. Finalement, des comparaisons entre les résultats expérimentaux et la simulation sont réalisées avec le modèle ADF-PCM pour différents taux de gaz recirculants. Celui-ci montre une reproduction qualitative de l'effet des gaz recirculants sur la combustion. / In a context where environmental and energetic issues are of major importance, car manufacturer are pushed toward developing more and more efficient vehicle with less pollutant emissions. To develop new combustion processes and improve their understanding, Large-Eddy Simulation appears as a promising tool. This thesis deals with the development and the validation of a model for Large-Eddy Simulation of Diesel combustion. The ADF-PCM model, based on the tabulation of strained approximated diffusion flames which allow to take into account detailed chemical schemes, is used. First, the ADF model is introduced. It approximates laminar diffusion flames by flamelets for which the chemical terms are extracted from a look-up table based on homogeneous reactors. The first step of this work consists in the validation of these approximated diffusion flames in Diesel conditions. The ADF-PCM model, initially formulated in a RANS formalism is extended to Large-Eddy Simulation of two phase flows and implemented in the AVBP LES compressible solver. A temperature stratification model is developed, as well as coupling terms for the liquid phase described by an Eulerian formalism. The ADF-PCM model is then assessed and validated on two experiments of Diesel liquid sprays injected into a constant volume chambers. It accurately predicts experimental _ndings in terms of auto-ignition delay, heat release rate and lift-off length. ADF-PCM results are then compared with those of other models considering different simplifying assumptions concerning flame structure or subgrid-scale mixture fraction stratification. The results indicate the necessity to consider these effects, even for fine grids. Finally, the capacity of the ADF-PCM approach to reproduce the influence of exhaust gas recirculation over combustion is assessed. Comparisons between experimental and simulation results indicate a qualitative reproduction of exhaust gas recirculation impact over combustion.

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.

Les transferts radiatifs jouent un rôle important dans les chambres de combustion des installations industrielles. En effet, il existe un couplage fort entre la combustion turbulente et le rayonnement. Dans le but d’étudier ce couplage, le code Rainier est développé pour les calculs de pertes par rayonnement dans un écoulement réactif dans des géométries complexes. Ce code repose sur des simulations aux grandes échelles (LES) de la combustion turbulente. Il est basé sur les maillages tétraédriques non structurés. Le modèle de rayonnement appliqué à la modélisation des propriétés radiatives des gaz est le modèle CK (Correlated-k). La méthode statistique de Monte-Carlo (ERM) est utilisée pour résoudre l’équation de Transfert du Rayonnement (ETR). Le code de rayonnement est parallélisé et il montre une réponse linéaire en fonction du nombre de processeurs très proche de la réponse idéale. Une méthode de couplage de code de rayonnement avec le code de combustion LES est développée. Chacun des codes a sa propre logique d’architecture et de développement. En conséquence, le couplage entre les deux domaines d’étude est réalisé de telle façon que les échanges des données et les synchronisations entre eux soient assurés. Les résultats obtenus à partir du couplage des sur une chambre de combustion d’hélicoptère sont présentés. Nous avons montré que le rayonnement modifie les champs instantanés de température et d’espèces à l’intérieur de la chambre de combustion. / Radiation plays an important role in industrial combustion chambers. In fact, there is a strong coupling between combustion and heat transfer in these turbulence chambers. The Rainier code is developed for the calculation of radiation in a reactive flow within a complex geometry. This code is dedicated to Large Eddy Simulation (LES) of turbulent reactive flows. The code is based on unstructured tetrahedral mesh. The correlated k-distribution method (CK) is applied to the modelling of radiative properties of gases. A statistical method of Monte Carlo (ERM) is used to resolve the Radiation Transfer Equation (RTE). The code is parallelized and it shows a linear response to the number of processors, which is very close to the ideal response. A coupling method of the Rainier code and the turbulent combustion code LES is implemented. Each code has its own logic architecture and development. For this, the coupling between these two different fields of study is achieved in such a way that the data exchange and synchronization between them is assured. The results obtained by applying the coupled codes to the combustion chamber of helicopter are presented. We have shown that the radiative transfer modifies the temperature and species fields inside the combustion chamber.

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Moderate or Intense Low-oxygen Dilution (MILD) combustion is one of combustion technologies which can improve efficiency and reduce emissions simultaneously. This combustion type is characterised by the highly preheated reactant temperature and the relatively small temperature rise during combustion due to the intense dilution of the reactant mixture. These unique combustion conditions give MILD combustion very attractive features such as high combustion efficiency, reduction of pollutant emissions, attenuation of combustion instabilities and flexibility of the flow field. However, our understanding of MILD combustion is not enough to employ the MILD combustion technology further for modern combustion devices. In this thesis, Direct Numerical Simulation (DNS) has been carried out for turbulent MILD combustion under four MILD and classical premixed conditions. A two-phase strategy is employed in the DNS to include the effect of imperfect mixing between fresh and exhaust gases before intense chemical reactions start. In the simulated instantaneous MILD reaction rate fields, both thin and distributed reaction zones are observed. Thin reaction zones having flamelet like characteristics propagate until colliding with other thin reaction zones to produce distributed reaction zones. Also, the effect of such interacting reaction zones on scalar gradient has to be taken into account in flamelet approaches. Morphological features of MILD reaction zones are investigated by employing Minkowski functionals and shapefinders. Although a few local reaction zones are classified as thin shape, the majority of local reaction zones have pancake or tube-like shapes. The representative scales computed by the shapefinders also show a typical volume where intense reactions appear. Given high temperature and existence of radicals in the diluted reactants, both reaction dominated and flame-propagation dominated regions are locally observed. These two phenomena are closely entangled under a high dilution condition. The favourable conditions for these phenomena are investigated by focusing on scalar fluxes and reaction rate. A conditional Probability Density Function (PDF) is proposed to investigate flamelet/non-flamelet characteristics of MILD combustion. The PDF can be obtained by both numerically and experimentally. The PDF shows that MILD combustion still has the direct relationship between reaction rate and scalar gradient, although the tendency is statistically weak due to the distributed nature of MILD reaction zones. Finally, based on the physical aspects of MILD combustion explained in this work, a representative model reactor for MILD combustion is developed. The model reactor is also used in conjunction with the presumed PDF for a mean and filtered reaction rate closure. The results show a good agreement between the modelled reaction rate and the DNS results.