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The goal of the present work was to identify and implement modifications to a density-based unstructured RANS CFD algorithm, as typically used in turbomachinery flows (represented here via the RoIIs-Royce 'Hydra' code), for application to Iow Mach number gas-turbine combustor flows. The basic algorithm was modified to make it suitable for combustor relevant problems. Fixed velocity and centreline boundary conditions were added using a characteristic based method. Conserved scalar mean and variance transport equations were introduced to predict scalar mixing in reacting flows. Finally, a flarnelet thermochemistry model for turbulent non-premixed combustion with an assumed shape pdf for turbulence-chemistry interaction was incorporated. A method was identified whereby the temperature/ density provided by the combustion model was coupled directly back into the momentum equations rather than from the energy equation. Three different test cases were used to validate the numerical capabilities of the modified code, for isothermal and reacting flows on different grid types. The first case was the jet in confined cross flow associated with combustor liner-dilution jetcore flow interaction. The second was the swirling flow through a multi-stream swirler. These cases represent the main aerodynamic features of combustor primary zones. The third case was a methane-fueled coaxial jet combustor to assess the combustion model implementation. This study revealed that, via appropriate modifications, an unstructured density-based approach can be utilised to simulate combustor flows. It also demonstrated that unstructured meshes employing nonhexahedral elements were inefficient at accurate capture of flow processes in regions combining rapid mixing and strong convection at angles to cell edges. The final version of the algorithm demonstrated that low Mach RANS reacting flow simulations, commonly performed using a pressure-based approach, can successfully be reproduced using a density-based approach.

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.

La combustion d’hydrocarbures représente encore aujourd’hui une part très majoritaire de la production d’énergie dans le monde, et en particulier dans l’industrie aéronautique. La plupart des brûleurs industriels sont alimentés par un carburant sous forme liquide, injecté directement dans la chambre de combustion, générant ainsi de fortes interactions entre le spray, l’écoulement turbulent et la flamme. Dans le but d’acquérir une meilleure compréhension de la structure complexe des flammes de spray, une étude numérique a été réalisée sur la configuration du brûleur diphasique KIAI, caractérisée de façon précise et complète expérimentalement. Une approche de type simulation des grandes échelles a été utilisée pour simuler la phase gazeuse tandis que la phase liquide était résolue selon un formalisme Lagrangien déterministe (LES-DPS). L’analyse détaillée de la structure de flamme de spray permet de mettre en exergue le rôle important de la combustion non prémélangée dans ce type de flamme. Cela a motivé dans une seconde étape le développement d’une nouvelle approche pour modéliser les flammes de diffusion turbulentes. Le modèle présenté s’appuie sur la réponse des flammes de diffusion laminaires au maillage, à l’étirement et au plissement. Le dégagement de chaleur global de la flamme a été analysé dans des configurations de complexité croissante, et la capacité du modèle à le décrire a été évaluée. / The combustion of hydrocarbons still represents a major part of the worldwide production of energy, especially in the aeronautical industry. Most industrial burners are fed with liquid fuel that is directly injected in the combustion chamber, generating a strong interaction between the spray, the turbulent flow and the flame. In order to provide a better understanding of turbulent spray flame complex structures, a numerical study has been performed on the two-phase flow burner KIAI which has been experimentally fully characterized. Numerical simulations consist of Large Eddy Simulation coupled to Discrete Particle Simulation for the dispersed phase (LES-DPS). A detailed analysis of the flame structure shows that non-premixed combustion plays an important role in this type of spray flame. This motivates, in a second step of the present work, the development of a new approach to model turbulent diffusion flames. The model is based on the response to the mesh, strain rate and wrinkling. The global flame heat release is analyzed through configurations of increasing complexity and the capacity of the model to describe it is evaluated.