Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l'air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l'environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d'étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l'air et du carburant. La prise en compte de l'aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l'apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d'injection, et d'évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d'une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l'écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d'essai Mercato. Ce banc est équipé d'un système d'injection d'air vrillé et d'un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l'injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d'un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d'obtenir des temps d'évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration MERCATO. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d'évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L'utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l'équation sur l'énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l'énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d'obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L'accès à l'évolution instationnaire de l'écoulement permet d'identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n'est pas résolue dans l'approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l'approche Euler-Lagrange malgré l'injection monodisperse.

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d’émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l’air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l’environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d’étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l’air et du carburant. La prise en compte de l’aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l’apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d’injection, et d’évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d’une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l’écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d’essai Mercato. Ce banc est équipé d’un système d’injection d’air vrillé et d’un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l’injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d’un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d’obtenir des temps d’évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration Mercato. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d’évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L’utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l’équation sur l’énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l’énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d’obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L’accès à l’évolution instationnaire de l’écoulement permet d’identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n’est pas résolue dans l’approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l’approche Euler-Lagrange malgré l’injection monodisperse. / Aeronautical gas turbines are facing growing demands on emission reductions. Indeed, the quality of the air-fuel mixture directly triggers the formation of pollutants degrading the environment. Large Eddy Simulation is an accurate numerical method to predict turbulent mixing in combustors. Adding the liquid phase of the fuel in these simulations also becomes necessary to properly predict the injection process and the vaporization of the fuel in the combustion chamber. The purpose of this dissertation is to evaluate the accuracy and reliability of Euler-Euler LES in a complex combustor configuration. The injection and vaporization processes of the fuel liquid phase are both modeled in the present LES as they drive the formation of the fuel gas phase. Moreover, the numerical methods that solve the continuous equations of the disperse phase must be accurate and robust in realistic combustor configurations. The simulations shown in the present study reproduce the non-reactive two-phase flow of the ONERA Mercato test bench. The experimental set-up is equipped with an air-swirler injection system and a pressure-swirled atomizer typical of actual turboengine combustors. In the present work the FIM-UR liquid injection model has been developed. It creates boundary conditions profiles for a liquid spray produced by a pressure-swirled atomizer. Kerosene used in the experiments is modeled in the present numerical simulations by a single species leading to a good estimate of the vaporization rate. Three numerical strategies have been tested on the Mercato configuration. Comparisons between experimental and LES results help defining the most accurate numerical strategy. The use of the centered numerical scheme TTGC stabilized by a localized artificial viscosity operator is best when the random uncorrelated energy of droplets is also resolved. Unlike an upwind numerical scheme, the selected strategy allows the user to control where and how much artificial viscosity is added. The source terms coming from the mesoscopic movement redistribute the energy in the compression or expanding zones of the disperse phase, and provide the proper distribution of fluctuations in the combustion chamber. The obtained strategy is compared with the statistics provided by a Lagrangian description of the liquid spray in the same mono-disperse injection. The Euler-Euler approach leads to the same accuracy in the same spray dynamics of the disperse phase as in the Euler-Lagrange method. Both unsteady flow simulations also provide the same dispersion and mixing processes in the Mercato set-up. Differences on the mean diameter and the fuel distribution in the combustion chamber are seen and related to the local poly-dispersion that cannot be resolved in the mono-disperse Euler-Euler approach and that naturally appear in the Euler-Lagrange method despite the mono-disperse injection.

L'allumage ou le rallumage d'une turbine à gaz dans une atmosphère froide et raréfiée est un problème crucial pour les constructeurs aéronautiques. Le but de cette thèse est de développer une méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier la combustion et l'allumage dans les géométries réalistes de foyers aéronautiques. L'approche théorique instationnaire prend en compte les caractéristiques essentielles de ces phénomènes en réalisant le couplage entre les modèles de turbulence, de dispersion du spray de carburant et de combustion. L'outil LES est validé dans des cas académiques puis appliqué à une configuration réaliste de foyer d'hélicoptère comportant 18 secteurs identiques. Le régime stationnaire et la séquence d'allumage d'un secteur isolé sont d'abord analysés. Grâce au calcul massivement parallèle, l'étude est ensuite étendue à l'allumage complet des 18 secteurs, apportant un éclairage nouveau sur la physique du phénomène.

Le contexte général de cette thèse est la Simulation Numérique Directe des écoulements diphasiques dilués anisothermes. Un accent particulier est mis sur la détermination précise de la dispersion des particules et du transfert de chaleur entre la phase porteuse et dispersée. Cette dernière est décrite à l’aide d’une approche Eulérienne aux moments : le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) [41, 123], récemment étendu aux écoulements anisothermes [78]. Le principal objectif de ce travail est de déterminer si ce formalisme est capable de prendre en compte de manière précise l’inertie dynamique et thermique des particules dans un écoulement turbulent, et particulièrement dans une configuration avec un gradient moyen. Le code de calcul utilisé est AVBP. La simulation numérique d’un spray dilué avec une approche Eulerienne soulève des questions supplémentaires sur les méthodes numériques et les modèles employés. Ainsi, les méthodes numériques spécifiques aux écoulements diphasiques implémentées dans AVBP [69, 103, 109] ont été testées et revisitées. L’objectif est de proposer une stratégie numérique précise et robuste qui résiste aux forts gradients de fraction volumique de particule provoqués par la concentration préférentielle [132], tout en limitant la diffusion numérique. Ces stratégies numériques sont comparées sur une série de cas tests de complexité croissante et des diagnostics pertinents sont proposés. Par exemple, les dissipations dues `a la physique et au numérique sont extraites des simulations et quantifiées. Le cas test du tourbillon en deux dimensions chargé en particules est suggéré comme une configuration simple pour mettre en évidence l’impact de l’inertie des particules sur leur champ de concentration et pour discriminer les stratégies numériques. Une solution analytique est aussi proposée pour ce cas dans la limite des faibles nombres de Stokes. Finalement, la stratégie numérique qui couple le schéma centré d’ordre élevé TTGC et une technique de stabilisation, aussi appelée viscosité artificielle, est celle qui fournit les meilleurs résultats en terme de précision et de robustesse. Les paramètres de viscosité artificielle (c'est-à-dire les senseurs) doivent néanmoins être bien choisis. Ensuite, la question des modèles nécessaires pour d´écrire correctement la dispersion des particules dans une configuration avec un gradient moyen est abordée. Pour ce faire, un des modèles RUM (appel´e AXISY-C), proposé par Masi [78] et implémenté dans AVBP par Sierra [120], est validé avec succès dans deux configurations: un jet plan diphasique anisotherme 2D et 3D. Contrairement aux anciens modèles RUM, les principales statistiques de la phase dispersée sont désormais bien prédites au centre et aux bords du jet. Finalement, l’impact de l’inertie thermique des particules sur leur température est étudié. Les résultats montrent un effet important de cette inertie sur les statistiques mettant en évidence la nécessité pour les approches numériques de prendre en compte ce phénomène. Ainsi, l’extension du FEM aux écoulements anisothermes, c’est-à-dire les flux de chaleur RUM (notés RUM HF), est implémentée dans AVBP. L’impact des RUM HF sur les statistiques de température des particules est ensuite évalué sur les configurations des jets 2D et 3D. Les champs Eulériens sont comparés à des solutions Lagrangiennes de référence calculées par B. Leveugle au CORIA et par E. Masi à l’IMFT pour les jets 2D et 3D, respectivement. Les résultats montrent que les RUM HF améliorent la prédiction des fluctuations de température mésoscopique, et dans une moindre mesure la température moyenne des particules en fonction de la configuration. Les statistiques Lagrangiennes sont retrouvées lorsque les RUM HF sont pris en compte alors que les résultats sont dégradés dans le cas contraire. / This work addresses the Direct Numerical Simulation of non-isothermal turbulent flows laden with solid particles in the dilute regime. The focus is set on the accurate prediction of heat transfer between phases and of particles dispersion. The dispersed phase is described by an Eulerian approach : the Mesoscopic Eulerian Formalism [41, 123], recently extended to non-isothermal flows [78]. The main objective of this work is to assess the ability of this formalism to accurately account for both dynamic and thermal inertia of particles in turbulent sheared flows. The CFD code used in this work is AVBP. The numerical simulation of dilute sprays with an Eulerian approach calls for specific modelling and raises additional numerical issues. First, the numerical methods implemented in AVBP for two-phase flows [69, 103, 109] were tested and revisited. The objective was to propose an accurate and robust numerical strategy that withstands the steep gradients of particle volume fraction due to preferential concentration [132] with a limited numerical diffusion. These numerical strategies have been tested on a series of test cases of increasing complexity and relevant diagnostics were proposed. In particular, the two-dimensional vortex laden with solid particles was suggested as a simple configuration to illustrate the effect of particle inertia on their concentration profile and to test numerical strategies. An analytical solution was also derived in the limit of small inertia. Moreover, dissipations due to numerics and to physical effects were explicitly extracted and quantified. Eventually, the numerical strategy coupling the highorder centered scheme TTGC with a stabilization technique –the so called artificial viscosity– proved to be the most accurate and robust alternative in AVBP if an adequate set-up is used (i.e. sensors). Then, the issue of the accurate prediction of particle dispersion in configurations with a mean shear was adressed. One of the RUM model (denoted AXISY-C), proposed by Masi [78] and implemented by Sierra [120], was successfully validated in a two-dimensional and a three-dimensional non-isothermal jet laden with solid particles. Contrary to the former RUM models [63, 103], the main statistics of the dispersed phase were recovered at both the center and the edges of the jet. Finally, the impact of the thermal inertia of particles on their temperature statistics has been investigated. The results showed a strong dependency of these statistics to thermal inertia, pinpointing the necessity of the numerical approaches to account for this phenomenon. Therefore, the extension of the MEF to non isothermal conditions, i.e. the RUM heat fluxes, has been implemented in AVBP. The impact of the RUM HF terms on the temperature statistics was evaluated in both configurations of 2D and 3D jets. Eulerian solutions were compared with Lagrangian reference computations carried out by B. Leveugle at CORIA and by E. Masi at IMFT for the 2D and 3D jets, respectively. Results showed a strong positive impact of the RUM HF on the fluctuations of mesoscopic temperature, and to a lesser extent on the mean mesoscopic temperature depending of the configuration. Neglecting the RUM HF leads to erroneous results whereas the Lagrangian statistics are recovered when they are accounted for.

De nos jours, la combustion représente encore un 90% de la production totale d'énergie au monde. La plupart des brûleurs de type industriel utilisent comme carburant des hydrocarbures en forme liquide. Cependant, un grand nombre d'études ont été dédiés aux flammes gazeuses et l'impact du spray liquide est encore loin d'être totalement compris. Le but de cette étude est l'amélioration de la modélisation des deux phénomènes principaux qui ont lieu entre l'atomisation du spray et la combustion, i.e. la dispersion des gouttes par la turbulence gazeuse et le procès d'évaporation dans le contexte de la Simulation Aux Grandes Echelles (SGE) des configurations complexes. Premièrement, l'approche Euler-Euler mésoscopique (Février et al. (2005)), basée sur une moyenne d'ensemble conditionnée et implémentée dans AVBP est améliorée. Le modèle de fermeture (Simonin et al. (2001); Kaufmann (2004)) pour les moments de deuxième ordre qui apparait dans les équations de transport résolues échoue quand appliqué à des configurations cisaillées (Riber (2007)). Plusieurs modèles proposés récemment par Masi (2010) et qui ont été valides a priori dans une configuration de nappe chargée de particules sont validés a posteriori dans la même configuration. Une analyse quantitative sur plusieurs cas avec diffèrent nombres de Stokes, nombres de Reynolds de la phase gazeuse et résolutions du maillage ont permit de retenir un modèle non-linéaire nommé 2EASM3, qui utilise le tenseur de déformations de la phase dispersée comme échelle de temps caractéristique. La deuxième partie a pour but l'amélioration du modèle d'évaporation implémenté dans AVBP. Ce modèle suppose une conduction infinie dans la phase liquide et symétrie sphérique dans la phase gazeuse ainsi que des lois simplifiées pour les propriétés thermodynamiques et de transport. Un nouveau modèle prenant en compte la dépendance de la viscosité du mélange gazeux avec la composition locale, et des nombres de Prandtl et Schmidt fixés par les valeurs à l'équilibre obtenus par moyen d'une simulation prenant en compte des lois complexes pour les propriétés thermodynamiques et de transport est proposé. Cette nouvelle méthode produit des résultats en bon accord avec les mesures expérimentales pour l'évaporation d'une goutte isolée en une atmosphère d'azote au calme sans pourtant augmenter le cout du calcul. Finalement, l'impact des nouveaux modèles est analysé dans une SGE de la configuration semi-industrielle MERCATO (García-Rosa (2008)). Bien que les données expérimentales ne soient pas suffisantes pour confirmer les résultats, les distributions de gouttes et de carburant gazeux sont significativement affectés par les modèles, ce qui pourrait avoir un impact direct sur le procès d'allumage.

De nos jours, la combustion représente encore un 90% de la production totale d'énergie au monde. La plupart des brûleurs de type industriel utilisent comme carburant des hydrocarbures en forme liquide. Cependant, un grand nombre d'études ont été dédiés aux flammes gazeuses et l'impact du spray liquide est encore loin d'être totalement compris. Le but de cet étude est l'amélioration de la modélisation des deux phénomènes principaux qui ont lieu entre l'atomisation du spray et la combustion, i.e. la dispersion des gouttes par la turbulence gazeuse et le procès d'évaporation dans le contexte de la Simulation Aux Grandes Echelles (SGE) des configurations complexes. Premièrement, l'approche Euler-Euler mésoscopique (Février et al. (2005)), basée sur une moyenne d'ensemble conditionnée et implémentée dans AVBP est amélioré. Le modèle de fermeture (Simonin et al. (2001); Kaufmann (2004)) pour les moments de deuxième ordre qui apparait dans les équations de transport résolues échoue quand appliqué à des configurations cisaillées (Riber (2007)). Plusieurs modèles proposés récemment par Masi (2010) et qui ont été valides a priori dans une configuration de nappe chargée de particules sont validés a posteriori dans la même configuration. Un analyse quantitative sur plusieurs cas avec diffèrent nombres de Stokes, nombres de Reynolds de la phase gazeuse et résolutions du maillage ont permit de retenir un modèle non-linéaire nommé 2EASM3, qui utilise le tenseur de déformations de la phase dispersée comme échelle de temps caractéristique. La deuxième partie a pour but l'amélioration du modèle d'évaporation implémenté dans AVBP. Ce modèle suppose une conduction infinie dans la phase liquide et symétrie sphérique dans la phase gazeuse ainsi que des lois simplifiées pour les propriétés thermodynamiques et de transport. Un nouveau modèle prenant en compte la dépendance de la viscosité du mélange gazeux avec la composition locale, et des nombres de Prandtl et Schmidt fixés par les valeurs à l'équilibre obtenus par moyen d'une simulation prenant en compte des lois complèxes pour les propriétés thermodynamiques et de transport est proposé. Cette nouvelle méthode produit des résultats en bon accord avec les mesures expérimentales pour l'évaporation d'une goutte isolé en une atmosphère d'azote au calme sans pourtant augmenter le cout du calcul. Finalement, l'impacte des nouveaux modèles est analysé dans une SGE de la configuration semi-industrielle MERCATO (García-Rosa (2008)). Bien que les données expérimentales ne soient pas suffisantes pour confirmer les résultats, les distributions de gouttes et de carburant gazeux sont significativement affectés par les modèles, ce qui pourrait avoir un impact directe sur le procès d'allumage. / Combustion still represents about 90% of the energy production in the world. Most industrial burners are fuelled with liquid hydrocarbons. However, most studies have been dedicated to gaseous ßames and the impact of liquid spray is still misunderstood. The purpose of this study is to improve the modelisation of two main phenomena occurring between atomization and combustion, i.e. the droplet dispersion in the turbulent gaseous flow and the evaporation process, in the context of Large Eddy Simulation (LES) of complex configurations. First, the mesoscopic Euler-Euler approach (Février et al. (2005)) based on a conditioned ensemble averaging and implemented in AVBP is improved. The closure model (Simonin et al. (2001), Kaufmann (2004)) for the second-order moments appearing in the transport equations solved fails in mean-sheared configurations (Riber (2007)). Several new models proposed by Masi (2010) and a priori tested in a particle-laden slab are tested a posteriori in the same configuration. A quantitative analysis based on several calculations varying the Stokes number, the gaseous Reynolds number and the grid resolution allows to retain a non-linear model using the particle rate-of-strain tensor as timescale and called 2EASM3. The second part consists in improving the evaporation model implemented in AVBP which assumes infinite conduction in the liquid and spherical symmetry in the gas phase along with simplified thermodynamics and transport properties calculation. A new model is proposed, where the dependence of gaseous mixture viscosity on local composition is accounted for, and the Prandtl and Schmidt numbers are fixed by a reference equilibrium calculation using complex thermodynamics and transport properties. This method shows good agreement with experimental measurements in the configuration of an isolated droplet evaporating in quiescent N2 without further increasing the computational cost. Finally, the impact of the new models is analysed in the LES of the MERCATO semi-industrial configuration (García-Rosa (2008)). Although the experimental data are not sufficient to confirm the results, both the droplet distribution and the fuel mass fraction are significantly affected, which would eventually affect the ignition process.