Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 91 réf.

Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2004. Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Universitatea politehnica (Bucarest) : 2004. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre.

Le retour de chaleur est un phénomène bien reconnu pour entrainer le vieillissement prématuré et l’éventuelle défaillance des moteurs à combustion interne en condition post-arrêt. Les études de ces systèmes, plus particulièrement de la turbine à gaz, ont démontré la tendance de la chaleur à diffuser librement vers les sections, pièces et cavités (telle la chambre de combustion), plus froides du moteur, à partir du moment où les pièces rotatives s’immobilisent. Principalement composé de convection naturelle, le front de chaleur risque d’entrainer l’oxydation prématurée du carburant (cokage) demeuré dans les injecteurs supérieurs. Cette étude propose un modèle par mécanique des fluides numérique (MFN), capable de reproduire le retour de chaleur dans une chambre de combustion tubulaire modifiée, et d’évaluer ses conséquences sur le système de distribution de carburant. Le modèle numérique fera plus tard l’objet de validation par des tests expérimentaux, sur cette chambre équipée de masses complémentaires d’accumulation thermique. / Heat soak-back is a phenomenon observed in many thermal applications including internal combustion engines. Post shutdown studies of these systems, particularly gas turbines, have shown that a massive heat wave could diffuse in the engine causing potential damage. As moving parts in the engine immobilize, heat diffuses freely from hotter to colder sections, including cavities such as the combustor. Primarily composed of free convection, the heat front in the combustor may cause premature coking in the top dead center injectors as the buoyant hot air tends to reach the upper section of the combustor. The following investigation implies computational fluid dynamics (CFD) simulation in order to predict the thermal behaviour and magnitude of this soak-back phenomenon inside a modified can combustor test rig and its potential consequences on the fuel delivery system. The numerical model will eventually be validated using experimentations with this combustor equipped with complementary thermal accumulation masses.

L'objectif du projet de recherche est d'identifier les biocarburants les plus prometteurs pour une utilisation dans les turbines à gaz actuelles réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Cette étude examinera le fonctionnement d’une chambre de combustion tubulaire lors de tests d’opérabilités (démarrage à froid et rallumage en haute altitude) en déterminant les ratios carburant-air minimum et maximum. Pour évaluer leur rendement de combustion par rapport à ces conditions d’opérabilités, les enveloppes d’allumages sont obtenues pour sept nouveaux mélanges de biocarburants obtenus à partir de la caméline ou du jatropha mélangé avec du Jet A-1 et diverses teneurs en aromatiques comparées au carburant de référence soit le Jet A-1. Ces nouveaux mélanges de biocarburants ont été sélectionnés en fonction de la durabilité de l’approvisionnement et du potentiel de réduction des émissions. En général, le projet a démontré que les mélanges de biocarburants de deuxième génération sont des carburants alternatifs viables au pétrole actuel apportant également des avantages environnementaux et pouvant être produits en grandes quantités sans impact majeur sur la chaîne d'approvisionnement alimentaire. / The objective of the proposed research is to identify the most promising drop-in biofuels for use in aircraft gas turbines and their potential to reduce greenhouse gases. This investigation reviews proper engine operability (cold start and altitude relight) and allows determining the minimum and maximum fuel-air ratios for these conditions. To evaluate their relative combustion performance, cold start and altitude relight maps are obtained for seven new biofuel blends obtained from camelina or jatropha mixed with Jet A-1 fuel with various aromatic contents and compared to Jet A-1 as the baseline fuel. These new biofuel blends were selected based on sustainability of supply and potential for reduction of emissions. In general, the project demonstrated that at least second generation biofuel blends are viable alternative fuels to the current petroleum based that can also bring environmental benefits and can be producible in large quantities without impacting the food supply chain.

Dans cette thèse, un modèle numérique a été proposé pour simuler la combustion liquide des carburants conventionnels et non-conventionnels, en particulier le mélange de biodiesel B20. La matrice de test numérique constitue de quatre cas d’écoulement réactifs c.à.d. avec combustion et d’un cinquième avec injection liquide sans combustion (écoulement non-réactif). Les modèles sont calculés à l’aide du logiciel FLUENT™ v.14 en 3D et a l’état stationnaire. Les flammes de diffusion turbulentes sont modélisées en utilisant l’approche de flammelette laminaire stable, avec une fonction de densité de probabilité jointe (PDF). La Validation est effectuée en comparant les mesures expérimentales disponibles avec les résultats obtenus de la CFD. L’aérodynamique de la chambre de combustion, ainsi que les températures de parois extérieures sont captures avec un degré de précision satisfaisant. La validation des principaux produits de combustion, tels que : CO2, H2O et O2, montre des résultats satisfaisants pour tous les cas d'écoulement réactifs, mais certaines incohérences ont été relevées pour les émissions de CO. On pense que le banc d'essai (la géométrie de la chambre de combustion et son état de fonctionnement) n'est pas suffisamment adéquat pour la combustion de combustibles liquides. D’autre part, et d’un point de vue numérique, l’approche de flammelette laminaire stable a été trouvé raisonnablement hors mesure de saisir les effets profonds du non-équilibre chimique qui sont souvent associés au processus de lente formation d’un polluant, comme le CO. / In this thesis, a CFD model was proposed to simulate the liquid combustion of conventional and non-conventional biodiesel fuels, in particularly the B20 biodiesel blend. The numerical test matrix consists of four reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The models are computed using FLUENT™ v.14 in a 3D steady-state fashion. The turbulent non-premixed diffusion flames are modeled using the steady laminar flamelet approach; with a joint presumed Probability density function (PDF) distribution. Validation is achieved by comparing available experimental measurements with the obtained CFD results. Combustor aerodynamics and the outer wall temperatures are captured with a satisfactory degree of accuracy. Validation of the main combustion products, such as: CO2, H2O, and O2, shows satisfactory results for all the reacting flow cases; however, some inconsistencies were found for the CO emissions. It is believed that the test rig (combustor geometry and operating condition) is not sufficiently adequate for burning liquid fuels. On the other hand, from a numerical combustion point of view, the steady laminar flamelet approach was found not reasonably able to capture the deep non-equilibrium effects associated with the slow formation process of a pollutant, such as CO.

Ce travail propose l’investigation d’une approche physique 0D/1D modélisant les brûleurs de turbines à gaz, prenant en compte l’évaporation du carburant, la turbulence, la combustion, et permet la représentation de zones de dilution et l’implémentation de modèles de chimie des polluants. Il s’agit de sous-modèles répartis dans des composants assemblables dans un environnement numérique multi-domaines basé sur le formalisme de Bond Graph. Ceci permet, par exemple, l’assemblage de plusieurs volumes ouverts en un tube à flamme, l’ajout d’un compresseur et d’une turbine, ou bien aussi d’intégrer des chaînes de commande afin de représenter un hélicoptère complet. L’originalité de cette thèse réside dans l’application d’un paradigme de combustion 0D, issu d’une approche 3D élaborée chez IFP Energies nouvelles et appliquée avec succès aux moteurs alternatifs ainsi qu’à des turbines à gaz. Le sous-modèle intègre le formalisme de flamme cohérente qui distingue une zone de gaz frais d’une zone de gaz brûlés. Les deux zones sont séparées par une flamme turbulente. Le sous-modèle de tube à flamme décrit la flamme grâce à une synthèse issue de résultats de calculs CFD 3D validés par des expériences. En effet, des résultats de calculs LES d’un brûleur expérimental monophasique ont étés analysés pour caractériser la combustion turbulente prémélangée dans un brûleur à tourbilloneur. Enfin, un secteur de brûleur réel de turbomoteur a été étudié à l’aide de simulations CFD afin d’évaluer la pertinence du modèle de tube à flamme 0D/1D et de guider la modélisation permettant de compléter la nouvelle approche de simulation système des turbines à gaz. / This work investigates a unique 0D/1D physical approach for gas turbine combustor modelling. It accounts for fuel evaporation, turbulence, combustion, and allows to represent dilution stages. Detailed pollutants formation models can also be added. The chosen formalism, based on the Bond Graph theory approach, allows to describe systems organised in a series of submodel components such as a series of open volumes forming a flame tube, or a combustor coupled to a compressor and turbine but they can also be combined with control and regulation devices in order to represent a complete rotorcraft. The essence of the PhD strategy is the application of a 0D combustion paradigm, obtained at IFP Energies nouvelles by formal reduction of 3D approaches for gas turbines. More in details, a new combustion model was developed integrating the Coherent Flame Model (CFM) formalism which allows to distinguish between fresh gases and burned gases separating them with a turbulent flame. The flame tube submodel features a physical description of the flame thanks to thorough understanding given by 3D CFD simulation results validated against experimental measurements. More specifically, LES results corresponding to a single phase test rig were analysed in order to characterise premixed turbulent combustion in a swirl burner. Finally, a real turboshaft combustor sector case was studied by means of CFD simulations to investigate the relevance of the 0D/1D flame tube model and to determine modelling strategies for the completion of the new gas turbine system simulation approach.

Th. doct.--Sci.--Paris--Ec. natl. supér. mines, 1994. / 1995 d'après la déclaration de dépôt légal. Thèse soutenue à la fois devant l'École nationale supérieure des mines de Paris et l'École nationale supérieure du pétrole et des moteurs de Rueil-Malmaison. Bibliogr. p. 371-385.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Ce mémoire de maîtrise porte sur la modélisation numérique de la problématique d'ingestion de gaz chauds dans la cavité rotor-stator du premier étage d'une turbine à gaz moderne. Dans le contexte de développement d'une aviation plus écologique, ce sujet mérite une attention marquée car des gains importants en ce qui a trait à l'efficacité globale du moteur peuvent être atteints par de meilleurs designs de joints rotor-stator limitant l'ingestion. La modélisation physique des phénomènes affectant l'ingestion devient alors essentielle afin de développer une meilleure compréhension des écoulements et mécanismes en présence. C'est dans cette optique que Pratt & Whitney Canada a mandaté le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l'Université Laval afin de conduire une étude approfondie du phénomène d'ingestion. Ce mémoire a donc pour objectif principal de décrire le développement, l'application et la validation de certaines techniques de simulation numérique visant à caractériser qualitativement et quantitativement le phénomène d'ingestion observé à travers le joint et dans la cavité du groupe rotor-stator d'une turbine à gaz. Une investigation des limites de fiabilité d'une telle modélisation numérique dans un contexte réel d'opération du moteur est également présentée. La paramétrisation adéquate du problème et la validité d'extrapoler des résultats numériques d'ingestion obtenus aux conditions "banc d'essai" afin de prédire l'ingestion réelle aux conditions "moteur" font également partie des sujets abordés dans ce mémoire. La méthodologie développée considère deux phases de calculs menant à des diagnostics d'ingestion par le biais d'un marqueur passif. Une série de validations numériques et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont également présentées. La méthodologie de modélisation numérique est considérée robuste et fiable, mais seulement partiellement validée.

Le développement des turbines à gaz d’aviation actuelles et futures est principalement axé sur la sécurité, la performance, la minimisation de la consommation de l’énergie, et de plus en plus sur la réduction des émissions d’espèces polluantes. Ainsi, les phases de design de moteurs sont soumises auxaméliorations continues par des études expérimentales et numériques. La présente thèse se consacre à l’étude numérique des phases transitoires et stationnaires de la combustion au sein d’une turbine à gaz d’aviation opérant à divers modes de combustion. Une attention particulière est accordée à la précision des résultats, aux coûts de calcul, et à la facilité de manipulation de l’outil numérique d’un point de vue industriel. Un code de calcul commercial largement utilisé en industrie est donc choisi comme outil numérique. Une méthodologie de Mécanique des Fluides Numériques (MFN) constituée de modèles avancés de turbulence et de combustion jumelés avec un modèle d’allumage sous-maille, est formulé pour prédire les différentes phases de la séquence d’allumage sous différentes conditions d’allumage par temps froid et de rallumage en altitude, ainsi que les propriétés de la flamme en régime stationnaire. Dans un premier temps, l’attention est focalisée sur le régime de combustion stationnaire. Trois méthodologies MFN sont formulées en exploitant trois modèles de turbulence, notamment, le modèle basé sur les équations moyennées de Navier-Stokes instationnaires (URANS), l’adaptation aux échelles de l’écoulement (SAS), et sur la simulation aux grandes échelles (LES). Pour évaluer la pertinence de l’incorporation d’un modèle de chimie détaillée ainsi que celle des effets de chimie hors-équilibre, deux différentes hypothèses sont considérées : l’hypothèse de chimie-infiniment-rapide à travers le modèle d’équilibre-partiel, et l’hypothèse de chimie-finie via le modèle de flammelettes de diffusion. Pour chacune des deux hypothèses, un carburant à une composante, et un autre à deux composantes sont utilisés comme substituts du kérosène (Jet A-1). Les méthodologies MFN résultantes sont appliquées à une chambre de combustion dont l’écoulement est stabilisé par l’effet swirl afin d’évaluer l’aptitude de chacune d’elle à prédire les propriétés de combustion en régime stationnaire. Par la suite, les rapports entre le coût de calcul et la précision des résultats pour les trois méthodologies MFN formulées sont explicitement comparés. La deuxième étude intermédiaire est dédiée au régime de combustion transitoire, notamment à la séquence d’allumage précédant le régime de combustion stationnaire. Un brûleur de combustibles gazeux, muni d’une bougie d’allumage, et dont la flamme est stabilisée par un accroche-flamme, est utilisé pour calibrer le modèle MFN formulé. Ce brûleur, de géométrie relativement simple, peut aider à la compréhension des caractéristiques d’écoulements réactifs complexes, en l’occurrence l’allumabilité et la stabilité. La méthodologie MFN la plus robuste issue de la précédente étude est reconsidérée. Puisque le brûleur fonctionne en mode partiellement pré-mélangé, le modèle de combustion paramétré par la fraction de mélange et la variable de progrès est adopté avec les hypothèses de chimie-infiniment-rapide et de chimie-finie, respectivement à travers le modèle de Bray-Moss-Libby (BML) et un modèle de flammelettes multidimensionnel (FGM). Le modèle d’allumage sous-maille est préalablement ajusté via l’implémentation des propriétés de la flamme considérée. Par la suite, le modèle d’allumage est couplé au solveur LES, puis successivement aux modèles BML et FGM. Pour évaluer les capacités prédictives des méthodologies résultantes, ces dernières sont utilisées pour prédire les évènements d’allumage résultant d’un dépôt d’énergie par étincelles à diverses positions du brûleur, et les résultats sont qualitativement et quantitativement validés en comparant ceux-ci à leurs homologues expérimentaux. Finalement, la méthodologie MFN validée en configuration gazeuse est étendue à la combustion diphasique en la couplant au module de la phase liquide, et en incorporant les propriétés de la flamme de kérosène dans le modèle d’allumage. La méthodologie MFN résultant de cette adaptation, est préalablement appliquée à la chambre de combustion étudiée antérieurement, pour prédire la séquence d’allumage et améliorer les prédictions antérieures des propriétés de la flamme en régime stationnaire. Par la suite, elle est appliquée à une chambre de combustion plus réaliste pour prédire des évènements d’allumage sous différentes conditions d’allumage par temps froid, et de rallumage en altitude. L’aptitude de la nouvelle méthodologie MFN à prédire les deux types d’allumage considérés est mesurée quantitativement et qualitativement en confrontant les résultats des simulations numériques avec les enveloppes d’allumage expérimentales et les images d’une séquence d’allumage enregistrée avec une caméra infrarouge. / The development of current and future aero gas turbine engines is mainly focused on the safety, the performance, the energy consumption, and increasingly on the reduction of pollutants and noise level. To this end, the engine’s design phases are subjected to improving processes continuously through experimental and numerical investigations. The present thesis is concerned with the simulation of transient and steady combustion regimes in an aircraft gas turbine operating under various combustion modes. Particular attention is paid to the accuracy of the results, the computational cost, and the ease of handling the numerical tool from an industrial standpoint. Thus, a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code widely used in industry is selected as the numerical tool. A CFD methodology consisting of its advanced turbulence and combustion models, coupled with a subgrid spark-based ignition model, is formulated with the final goal of predicting the whole ignition sequence under cold start and altitude relight conditions, and the main flame trends in the steady combustion regime. At first, attention is focused on the steady combustion regime. Various CFD methodologies are formulated using three turbulence models, namely, the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS), the Scale-Adaptive Simulation (SAS), and the Large Eddy Simulation (LES) models. To appraise the relevance of incorporating a realistic chemistry model and chemical non-equilibrium effects, two different assumptions are considered, namely, the infinitely-fast chemistry through the partial equilibrium model, and the finite-rate chemistry through the diffusion flamelet model. For each of the two assumptions, both one-component and two-component fuels are considered as surrogates for kerosene (Jet A-1). The resulting CFD models are applied to a swirl-stabilized combustion chamber to assess their ability to retrieve the spray flow and combustion properties in the steady combustion regime. Subsequently, the ratios between the accuracy of the results and the computational cost of the three CFD methodologies are explicitly compared. The second intermediate study is devoted to the ignition sequence preceding the steady combustion regime. A bluff-body stabilized burner based on gaseous fuel, and employing a spark-based igniter, is considered to calibrate the CFD model formulated. This burner of relatively simple geometry can provide greater understanding of complex reactive flow features, especially with regard to ignitability and stability. The most robust of the CFD methodologies formulated in the previous configuration is reconsidered. As this burner involves a partially-premixed combustion mode, a combustion model based on the mixture fraction-progress variable formulation is adopted with the assumptions of infinitely-fast chemistry and finite-rate chemistry through the Bray-Moss-Libby (BML) and Flamelet Generated Manifold (FGM) models, respectively. The ignition model is first customized by implementing the properties of the flame considered. Thereafter, the customized ignition model is coupled to the LES solver and combustion models based on the two above-listed assumptions. To assess the predictive capabilities of the resulting CFD methodologies, the latter are used to predict ignition events resulting from the spark deposition at various locations of the burner, and the results are quantitatively and qualitatively validated by comparing the latter to their experimental counterparts. Finally, the CFD methodology validated in the gaseous configuration is extended to spray combustion by first coupling the latter to the spray module, and by implementing the flame properties of kerosene in the ignition model. The resulting CFD model is first applied to the swirl-stabilized combustor investigated previously, with the aim of predicting the whole ignition sequence and improving the previous predictions of the combustion properties in the resulting steady regime. Subsequently, the CFD methodology is applied to a scaled can combustor with the aim of predicting ignition events under cold start and altitude relight operating conditions. The ability of the CFD methodology to predict ignition events under the two operating conditions is assessed by contrasting the numerical predictions to the corresponding experimental ignition envelopes. A qualitative validation of the ignition sequence is also done by comparing the numerical ignition sequence to the high-speed camera images of the corresponding ignition event.

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.