La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente. / Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame

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.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx . . . ) des foyers de combustion de turboréacteurs. L’étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d’azote via la modification de la variable d’avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d’espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l’aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l’implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d’interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés. / This thesis is focused on the prediction capabilities of pollution (CO, NOx especially) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on Large-Eddy Simulation methods coupled with a tabulated detailed chemistry approach. The PCM-FPI model, which stands for Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM, has been revised to take into account nitrogen chemistry through a modification of the progress variable. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Cabra and Sandia flames have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The role of CH2O as a marker of heat release is investigated, first in the frame of laminar premixed flames and then validated through LES runs. The challenges of the implementation of tabulated chemistry methods on massively parallel machines are discussed. Modifications are proposed regarding both the table structure and the interpolation methods leading to a mesh sensitivity review applied to the Sandia D flame. Difficulties arising when dealing with NOx chemistry in turbulent flows are presented : new Sub-Grid Scale models are introduced and investigated.

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La conception de chambres de combustion aéronautiques requiert un compromis entre les différents phénomènes physiques présents, comme les interactions entre la flamme et la turbulence, les pertes thermiques, la dynamique de flamme ou l'évaporation du carburant et son mélange. De nombreux outils numériques existent dans la littérature pour prédire ce genre d'écoulements réactifs turbulents. Les modèles de turbulence instationnaires, par exemple LES (Large Eddy Simulation), sont un excellent compromis pour la prédiction du mélange dans des configurations réalistes. L'approche de chimie tabulée représente un équilibre attrayant entre coût de calcul et précision pour la prédiction de structure de flamme. Dans cette thèse, des modèles de turbulence avancés et de chimie tabulée sont appliqués à des configurations complexes afin d'évaluer leur capacité à prédire la structure de flammes turbulentes. La prédiction de la FDF (Flame Describing Function) par le modèle F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) est comparé à des données expérimentales pour une flamme swirlée, prémélangée et non-adiabatique. La FDF est bien prédite pour une large plage de fréquences et deux niveaux de fluctuations de vitesse. L'origine des différences est analysée. La première application du modèle F-TACLES à un brûleur diphasique est proposée. Le brûleur choisi est la flamme jet diphasique KIAI, récemment étudié au CORIA. Une comparaison détaillée avec l'expérience est faite et montre que F-TACLES est capable de prédire la bonne forme de flamme. Le modèle ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) est étudié dans la configuration TLC, un injecteur aéronautique réaliste. En non-réactif, la ZDES est validée par rapport aux mesures de vitesse expérimentales et comparée à des résultats de LES. En conditions réactives, la prédiction des profils de température dans la chambre de combustion est grandement améliorée en ZDES. / The design of aeronautical combustion chambers requires a precise balance between the different physical phenomena involved, such as flame-turbulence interaction, heat losses, flame dynamics or fuel evaporation and mixing. Numerous numerical tools exist in the literature to predict these kinds of turbulent reacting flows. The unsteady turbulence models, for example LES (Large Eddy Simulation), represent an excellent compromise for the prediction of the mixing in realistic configurations. The tabulated chemistry approach is an attractive trade-off between computation cost and accuracy for predicting the structure of flames. In this thesis, advanced turbulence and tabulated chemistry models are applied to complex configurations in order to assess their ability to predict the structure of turbulent flames. The prediction of the FDF (Flame Describing Function) by the F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) model is compared to experimental data for a non-adiabatic premixed swirled flame. The FDF is well predicted for a wide range of frequencies and two velocity fluctuation levels. The origin of the discrepancies is analyzed. The first application of the F-TACLES model in a two-phase burner is proposed. The chosen burner is the KIAI spray jet flame, recently studied at CORIA. A detailed comparison with the experiments is performed and shows that F-TACLES is able to predict the correct flame shape. The ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) model is studied in a realistic aeronautical injector, the TLC configuration. In cold conditions, the ZDES is validated against velocity measurements and compared to LES results. In reacting conditions, the prediction of temperature profiles in the combustion chamber is greatly improved in the ZDES.

Ces 50 dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée de la dynamique de flamme, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l'injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion.