Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 266 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 203 réf.

Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D’un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s’agit, d’une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d’autre part, le code PPMBFS développé à l’Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l’approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d’un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l’hypothèse de l’Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d’écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l’accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d’un canal industriel (en l’occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d’écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques. / This research deals with the numerical simulation of compressible turbulent flows with heat transfers, applied to rocket engines. It relates more particularly the cooling of combustion chambers, in which a fluid flows in a supercritical state (high pressure and low temperature) inside millimeter channels. These problems involve complex physical phenomena and coupling between compressible aspects and heat transfer phenomena as well as supercritical thermodynamics. From a numerical point of view, two specific solvers have been used in the context of this thesis. The first code (CHOC-WAVES) has been developed in the CORIA lab for compressible flows and shock waves. The second one (PPMBFS) has been developed at the Pennsylvania University for applications with supercritical thermodynamics variables. In terms of physical modeling, the LES approach has been widely used in support of DNS. In this context, a thermal subgrid model using a variable turbulent Prandtl number has been integrated and validated. A supersonic cooled channel has been simulate dusing both LES and DNS techniques and its results have been carefully analysed through the aerothermics correlations and coherent structures. In particular, it has been shown that the Strong Reynolds Analogy hypothesis (SRA), in the case of a strongly anisothermal flow is not valid anymore. The wall heat flux had an impact on the coherent structures. The issue of real gases was then examined through the industrial channel flow simulation (EH3C). This study has high lighted the difficulties (both numerical and physical) associated with this type of flow. The various investigations have provided useful information, especially regarding the phenomenology of coherent structures and various aerothermodynamics correlations.

Ce travail est consacré à la simulation numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés en aval d'un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés d'air ou air+propane.<br />L'objectif est, d'une part, de tester sur une géométrie "simple", une modélisation de la combustion en écoulements turbulents et en régime de prémélange et, d'autre part, d'estimer le niveau de précision obtenue afin de pouvoir quantifier une éventuelle amélioration liée à l'utilisation de modèles plus sophistiqués. Le modèle de turbulence k-epsilon sous sa forme standard avec la loi de paroi, et le modèle de combustion du type PDF présumé, modèle CLE, ont été retenus pour nos simulations.<br />Une étude préliminaire du type KPP nous a permis de déduire les caractéristiques propagatives des zones de réactions moyennes à richesse constante, calculées sur la base du modèle de combustion retenu.<br />Dans ce travail, ont été simulés : trois écoulements inertes et trois écoulements réactifs à richesse constante pour nombres de Reynolds égaux à 25000, 50000 et 75000 et deux écoulements réactifs à richesse variable pour nombre de Reynolds 25000.<br />Concernant les écoulements inertes, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement des deux zones de recirculation moyennes. Pour les écoulements réactifs à richesse constante, on retrouve également la resymétrisation de l'écoulement moyen observée expérimentalement.<br />En revanche, la longueur des zones de recirculation moyenne est fortement sous-estimée par le calcul.<br />Un comportement auto-semblable dans la zone proche de l'élargissement est également retrouvé. Pour les écoulements à richesse variable, la perte de symétrie de l'écoulement moyen est bien retrouvée, mais les longueurs des zones de recirculation moyennes sont toujours sous-estimées par le calcul. Des indicateurs quantitatifs d'écart entre les résultats numériques et expérimentaux sont fournis pour les écoulements inertes et réactifs considérés, permettant à l'avenir, d'estimer le gain apporté par le recours à des simulations basées sur une évolution ou sur une amélioration de modèles physiques retenus de le cadre de cette étude.

Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D'un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s'agit, d'une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d'autre part, le code PPMBFS développé à l'Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l'approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d'un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l'hypothèse de l'Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d'écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l'accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d'un canal industriel (en l'occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d'écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques.

Les turbines à gaz modernes deviennent de plus en plus compactes, ce qui augmente les interactions entre leurs différents composants. Les interactions chambre de combustion-turbine sont particulièrement critiques car elles peuvent changer le champ aérothermique dans la turbine et réduire la durée de vie du moteur. Aujourd’hui, ces deux composants sont traités de façon indépendante, ce qui ne permet pas de prendre en compte leurs interactions. Cette thèse propose une approche couplée, basée sur les Simulations aux Grandes Échelles (SGE), une technique qui permet de prendre en compte toutes les interactions chambre de combustion-turbine. Dans la première partie de cette thèse, une méthode, compatible avec le code SGE AVBP, est proposée pour traiter les configurations rotor/stator de manière rigoureuse. Une série de cas test académiques vient prouver que l’interface respecte les propriétés des schémas numériques du code. Cette étude est suivie par une validation de l’approche dans le cas d'une turbine haute-pression mono-étage. Les résultats sont comparés avec des mesures expérimentales et l’influence des différents paramètres et modèles est établi. La deuxième partie de cette travail est dédiée à la prédiction des interactions chambre de combustion-turbine en utilisant les méthodes précédemment décrites et validées. Le premier type d’interaction étudié est la génération du bruit de combustion indirect dans une turbine haute pression. Ce bruit est créé lorsque des hétérogénéités de température, générées dans la chambre de combustion, sont accélérées dans la turbine. Pour simplifier les calculs, les hétérogénéités sont modélisées par des fluctuations de température sinusoïdales, injectées dans la turbine par les conditions limites. Les mécanismes de génération de bruit sont mis en évidence et le bruit de combustion indirect est mesuré et comparé avec une théorie analytique et des prédictions 2D. La deuxième application est un calcul couplé chambre de combustion-turbine qui analyse les interactions entre ces deux composants d’un point de vue aérothermique. Les caractéristiques instationnaires de l’écoulement à l’entrée de la turbine et la migration des hétérogénéités de température dans la turbine sont étudiées. Un calcul de la turbine seule est aussi effectué pour comparaison avec le calcul couplé. / Modern gas turbines are characterized by compact designs that enhance the interactions between its different components. Combustion chamber-turbine interactions, in particular, are critical as they may alter the aerothermal flow field of the turbine which can drastically impact the engine life duration. Current state-of-the-art treats these two components in a decoupled way and does not take into account their interactions. This dissertation proposes a coupled approach based on the high-fidelity Large Eddy Simulation (LES) formalism that can take into account all the potential paths of interactions between components. In the first part of this work, an overset grid method is proposed to treat rotor/stator configurations in a rigorous fashion that is compatible with the LES solver AVBP. This interface treatment is shown not to impact the characteristics of the numerical schemes on a series of academic test cases of varying complexity. The approach is then validated on a realistic high-pressure turbine stage. The results are compared against experimental measurements and the influence of different modeling and simulation parameters is evaluated. The second part of this work is dedicated to the prediction of combustion chamber-turbine interactions using the developed methodologies. The first type of interactions evaluated is the indirect combustion noise generation across a high-pressure turbine stage. This noise arises when combustor-generated temperature heterogeneities are accelerated in the turbine. To simplify the simulations the heterogeneities are modeled by sinusoidal temperature fluctuations injected in the turbine through the boundary conditions. The noise generation mechanisms are revealed by such LES and the indirect combustion noise is measured and compared to an analytical theory and 2D predictions. The second application is a fully-coupled combustor-turbine simulation that investigates the interactions between the two components from an aerothermal point of view. The rich flow characteristics at the turbine inlet, issued by the unsteady combustion in the chamber, are analyzed along with the migration of the temperature heterogeneities. A standalone turbine simulation serves as a benchmark to compare the impact of the fully coupled approach.

Les instabilités thermo-acoustiques présentes dans les chambres de combustion sont générées par des interactions entre une flamme et l’acoustique du foyer. Ces oscillations auto-entretenues peuvent être observées dans de nombreux systèmes industriels tels que des chaudières domestiques, des fours industriels, des turbines à gaz ou des moteurs fusée. Bien que ce phénomène ait fait l’objet de nombreux travaux, il n’existe toujours pas de cadre d’étude assez général et robuste pour prédire le déclenchement de ces oscillations auto-entretenues et pour déterminer l’évolution des variables de l’écoulement à l’intérieur de la chambre de combustion. Ce travail s’appuie à la fois sur des modèles et des expériences. L’objectif est d’améliorer la description de la réponse de flammes coniques laminaires prémélangées à des perturbations de l’écoulement et les prédictions d’instabilités thermo-acoustiques dans des foyers alimentés par des flammes coniques. Dans la première partie du manuscrit, une revue des modèles décrivant la dynamique de flammes coniques est entreprise et un cadre général d’étude pour la modélisation de la Fonction de Transfert de Flamme (FTF) est présenté. Le dispositif expérimental ainsi que les diagnostics utilisés sont ensuite décrits. Ces systèmes sont utilisés pour mesurer la FTF de flammes coniques laminaires prémélangées soumises à des perturbations harmoniques de l’écoulement. Une nouvelle technique expérimentale est proposée pour contrôler les perturbations de l’écoulement à la sortie du brûleur. Elle est utilisée pour moduler l’écoulement avec un bruit blanc aléatoire et déterminer la FTF avec une résolution fréquentielle bien meilleure. Pour de faibles niveaux d’excitation, les résultats obtenus avec cette technique sont en accord avec ceux obtenus par la méthode classique utilisant des perturbations harmoniques. Les limites de cette technique sont décrites lorsque le niveau de perturbation augmente. Plusieurs expressions analytiques de la FTF de flammes coniques sont établies dans la seconde partie de cette thèse en introduisant progressivement plus de phénomènes physiques dans le modèle. Les modèles basés sur des perturbations convectées par l’écoulement sont étendus en tenant compte de la nature incompressible du champ de perturbation de vitesse. La prévision de la phase de la FTF de flamme conique est améliorée et présente un bon accord avec les mesures. Ensuite, une étude détaillée des interactions de la base de la flamme avec le bord du brûleur est conduite en tenant compte des pertes thermiques instationnaires de la flamme vers le brûleur. Ce mécanisme contrôle le mouvement de la base de la flamme et la dynamique de flamme à haute fréquence. Cette contribution à la FTF détermine le comportement haute fréquence de la FTF ainsi que l’évolution non-linéaire de la FTF lorsque le niveau de perturbation augmente. Enfin, une analyse de la dynamique des flammes coniques est entreprise pour des flammes placées dans des tubes de différents diamètres. Il est montré que les effets de confinement doivent être pris en compte lorsque les gaz brûlés ne peuvent se dilater complètement. Des différences importantes sont observées entre des FTF mesurées pour des tubes de confinement de diamètres différents. Un nouveau nombre sans dimension est établi pour prendre en compte ces effets. Ces différents modèles sont ensuite utilisés pour modéliser la réponse d’une collection de petites flammes coniques stabilisées sur une plaque perforée. Il est montré qu’une combinaison de ces modèles permet de capturer le comportement de ces flammes ainsi que l’évolution de la phase de la FTF couvrant le spectre fréquentiel pertinent pour la prédiction d’instabilités thermo-acoustiques. / Thermo-acoustic instabilities in combustion chambers are generated by the interactions between a flame and the combustor acoustics, leading to a resonant coupling. These self-sustained oscillations may be observed in many practical systems such as domestic boilers, industrial furnaces, gas turbines or rocket engines. Although this phenomenon has already been the topic of many investigations, there is yet no generalized robust framework to predict the onset of these self-sustained oscillations and to determine the evolution of the flow variables within the combustor during unstable operation. This work builds on previous models and experiments to improve the description of the response of laminar conical flames to flow perturbations and the prediction of thermoacoustic instability in burners operating with conical flames. In the first part of the manuscript, an extensive review of conical flame dynamics modeling is undertaken and a general framework for the modeling of their Flame Transfer Function (FTF) is presented. The experimental setup and the diagnostics used to characterize their response to flow disturbances are then described. They are used to measure the FTF when the flames are submitted to harmonic flow perturbations. A novel experimental technique is also proposed to control the flow perturbation level at the burner outlet. It enables to modulate the flow with random white noise perturbations and to measure the FTF with a better frequency resolution. Results with this alternative technique compare well with results from the classical method using harmonic signals for small disturbances. Limits of this technique are also highlighted when the perturbation level increases. Different analytical expressions for the FTF of conical flames are derived in the second part of the thesis by progressively introducing more physics into the models. Models based on convected flow disturbances are extended by taking into account the incompressible nature of the perturbed velocity field. It is shown that the prediction of the FTF phase lag of a conical flame is greatly improved and collapses well with measurements. Then, a thorough investigation of the flame base dynamics interacting with the anchoring device is conducted by considering unsteady heat loss from the flame to the burner. This mechanism is shown to drive the motion of the flame base and the flame dynamics at high frequencies. It is also shown that this contribution to the FTF rules the high frequency behavior of the FTF as well as the nonlinear evolution of the FTF when the perturbation level increases. Finally, an analysis is conducted on the dynamics of a single conical flame placed into cylindrical flame tubes featuring different diameters. It is shown that confinement effects need to be taken into account when the burnt gases cannot fully expand. Large differences are observed between FTF measured for different confinement tube diameters. A new dimensionless number is derived to take these effects into account and make all the FTF collapse on a single curve. These different models are then used to model the response of a collection of small conical flames stabilized on a perforated plate. It is shown that by sorting out the different contributing mechanisms to the FTF, the expressions proposed in this work may be combined to capture the main behavior and correct phase lag evolution of these flames in the frequency range of interest for thermo-acoustic instability prediction.

La maîtrise effectuée au laboratoire de Combustion de l'Université Laval s'est inscrite dans un projet de conception d'un nouveau système de combustion pour de petites turbines à gaz, intégrant un atomiseur rotatif dénommé atomiseur fronde ou plus communément slinger. Ce projet est proposé et en partie financé par Pratt & Whitney Canada (P&WC). L'objectif final est de fournir un système d'injection de carburant simple, peu coûteux, léger et efficace, grâce à la suppression - permise par l'atomiseur rotatif centrifuge - de la pompe à carburant à haute pression. La maîtrise se situant dans la première phase du projet, les travaux réalisés se sont donc concentrés au niveau de la section interne de l'atomiseur où le carburant est encore sous forme de jet puis de film liquide, c'est-à-dire avant sa désintégration dans la zone primaire de la chambre de combustion. Les objectifs propres à cette maîtrise comprenaient : (1) la modélisation analytique du système d'alimentation du carburant dans la cavité au regard des phénomènes physiques s'y déroulant (chute de pression, écoulement transversal), (2) la modélisation par Mécanique des Fluides Numérique (MFN) du film liquide sur la paroi de l'atomiseur en rotation dans le but d'évaluer l'épaisseur de film (paramètre influençant directement la qualité de Tatomisation et dès lors la future combustion) avant Tatomisation. Concernant le système d'alimentation en carburant, une configuration optimale en termes de nombre, de diamètre et de forme de trous a été déterminée en garantissant théoriquement un jet jusqu'à impact sur l'atomiseur. Quant aux simulations numériques exécutées avec le code de calcul FLUENTMD, elles ont abouti à la validation du code vis-à-vis de la prédiction de l'épaisseur de film liquide se développant sur un disque plat rotatif. Une légère sous-estimation systématique a été observée due à la non prise en compte de l'effet de glissement dans le code. Enfin, diverses simulations sur la géométrie réelle simplifiée proposée par P&WC ont servi à déceler certaines limitations du code, reliées à l'effort numérique conséquent imposé par le modèle multiphase Volume de Fluide (VOF ou Volume of Fluid). Le présent mémoire se termine sur une série de recommandations pour les futures recherches, dans l'optique d'obtenir à terme un outil numérique fiable à l'égard de la prédiction de l'épaisseur de film liquide sur la surface rotative de l'atomiseur fronde.

Mémoire (M. Sc. A.) --Université du Québec à Chicoutimi, 1988. / Bibliogr. : f. 104-105. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

The growing need of mobile power sources with high energy density and the robustness to operate also in the harshest environmental surroundings lead to the idea of downscaling gas turbines to ì-scale. Classified as PowerMEMS devices, a couple of design attempts have emerged in the last decade. One of these attempts was the Belgian “PowerMEMS” design started back in 2003 and aiming towards a ì-scale gas turbine rated at 1 kW of electrical power output.<p>This PhD thesis presents the scientific evaluation and development history of different combustion chamber designs based upon the “PowerMEMS” design parameters. With hydrogen as chosen fuel, the non-premixed diffusive “micromix” concept was selected as combustion principle. Originally designed for full scale gas turbine applications in two different variants, consequently the microcombustor development had to start with the downscaling of these two principles towards ì-scale. Both principles have the advantage to be inherently safe against flashback, due to the non-premixed concept, which is an important issue even in this small scale application when burning hydrogen. By means of water analogy and CFD simulations the hydrogen injection system and the chamber geometry could be validated and optimized. Besides the specific design topics that emerged during the downscaling process of the chosen combustion concepts, the general difficulties of microcombustor design like e.g. high power density, low Reynolds numbers, short residence time, and manufacturing restrictions had to be tackled as well.<p>As full scale experimental test campaigns are still mandatory in the field of combustion research, extensive experimental testing of the different prototypes was performed. All test campaigns were conducted with a newly designed test rig in a combustion lab modified for microcombustion investigations, allowing testing of miniaturized combustors according to full engine requirements with regard to mass flow, inlet temperature, and chamber pressure. The main results regarding efficiency, equivalence ratio, and combustion temperature were obtained by evaluating the measured exhaust gas composition. Together with the performed ignition and extinction trials, the evaluation and analysis of the obtained test results leads to a full characterization of each tested prototype and delivered vital information about the possible operating regime in a later UMGT application. In addition to the stability and efficiency characteristics, another critical parameter in combustor research, the NOx emissions, was investigated and analyzed for the different combustor prototypes.<p>As an advancement of the initial downscaled micromix prototypes, the following microcombustor prototype was not only a combustion demonstrator any more, but already aimed for easy module integration into the real UMGT. With a further optimized combustion efficiency, it also featured an innovative recuperative cooling of the chamber walls and thus allowing an cost effective all stainless steel design.<p>Finally, a statement about the pros and cons of the different micromix combustion concepts and their correspondent combustor designs towards a possible ì-scale application could be given. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished