Les réglementations européennes étant de plus en plus restrictives en ce qui concerne les émissions de polluants et plus particulièrement les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de suies, l'objectif de ce travail est de fournir des outils de modélisation permettant l'analyse des mécanismes de réduction de ces émissions à la source, c'est-à-dire au niveau de la chambre de combustion. Dans un premier temps, un modèle de tabulation pour la prédiction des oxydes d'azote a été développé. Ce modèle (appelé NORA: NO Relaxation Approach) repose sur une méthode de perturbation d'état d'équilibre et présente l'avantage d'être simple d'utilisation, robuste et totalement indépendant du modèle de combustion turbulente. L'utilisation du modèle NORA permet une amélioration significative des résultats par rapport à une résolution directe du mécanisme de Zel'dovich couplé à une cinétique réduite. Dans un second temps, le travail a porté sur la modélisation des suies avec comme objectif la prédiction des suies en terme de masse et de distribution en taille de particules (PSDF: Particle Size Distribution Function). La méthode sectionnelle a tout d'abord été implémentée dans un solveur de flamme 1-D et validée par rapport à des données expérimentales en flammes laminaires d'éthylène. La question du couplage du modèle de suies avec un modèle de combustion turbulente a ensuite été posée. Ce travail montre que le couplage entre la phase gazeuse et la phase solide n'est pas négligeable. Un premier modèle de combustion mixte (appelé MTKS) utilisant une méthode tabulée et un solveur de chimie détaillé dans les gaz brûlés a été couplé au modèle de suies. L'approche MTKS a été testée dans des réacteurs hétérogènes à volume variable et les résultats sont encourageants. / European rules are more and more restrictive concerning pollutants emissions. This work deals with the modeling of NOx and soot particles. The final aim is to provide modeling tools in order to analyse the mechanismes leading to reduce these emissions in the combustion chamber. First, a tabulated NO prediction model has been developed. This model (called NORA: NO Relaxation Approach) is based on equilibrium state perturbation method. NORA is simple to use, robust and totally independent of the turbulent combustion model. The use of the NORA allows a significative improvement of the results compared to the direct resolution of the Zel'dovich mechanism with a reduce chemistry. In a second part, this work deals with soot predictions with the final aim the prediction of the soot volume fraction and the particle size distribution function (PSDF). The sectional method approach was first implemented in a 1-D flame solver and validated against experimental flames data. The question of the coupling between the soot sectional model and a turbulent combustion model has been addressed. Studies show that the coupling between gaseous and solid phase is non-negligible. A first mixed combustion model (called MTKS) using a tabulated method and a kinetic solver in the burned gases has been coupled to the soot sectional model. The MTKS approach has been tested in heterogeneous variable volume reactors and results are promising.

This work addresses the application of non-premixed filtered tabulated chemistry as a turbulent combustion modeling strategy in the LES framework. On the first part of this study the effects of the filtering operation on non-premixed flamelets are carefully appraised, considering an individual flamelet and the entire manifold. Subsequently, a systematic approach is followed where first the numerical implementation is verified. Afterwards validation is done on a coflow laminar diffusion flame, where promising results encourage the further model appraisal on a more complex turbulent configuration. This is finally achieved under turbulent conditions of Flames D and E, where the formalism including a SGS wrinkling modeling function adequately describes the wrinkled flame front features. The formalism assessment on a laminar coflow diffusion flame reveals a considerable sensitivity to the flame dimensionality. A flame sensor based on the mixture fraction gradient, with a tolerance to take into account the numerical grid resolution, is introduced and proves to deliver satisfactory results. The sensor-determined model activation allows to adequately represent the underlying physics behind flame filtering and so it endorses the consistency of the numerical procedure. The evaluation of the non-premixed FTACLES model on turbulent flames D and E demonstrates that the formalism coupling with a SGS wrinkling modeling function can adequately describe the wrinkled flame front condition. The model performs significantly well employing a three-dimensional tabulation strategy, where the numerical grid is coupled with the model by the third parameter, i.e. the computational cell size. The predictions for both the major stable species and the minor ones accurately correspond with the undergoing physics. The obtained results have a deep theoretical implication for the combustion research. First, they confirm the idea that SGS closure in diffusive combustion can be derived based on filtering arguments, and not only based on statistical approaches. Second, they demonstrate the enormous potential of the non-premixed FTACLES formalism once a sound flame sensor and a SGS wrinkling modeling function are included. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le contexte actuel, pour diminuer la consommation de fuel et les émissions de polluants comme le CO2 ou les NOx, les chambres de combustion aéronautiques de nouvelle génération sont basées sur la combustion partiellement prémélangée pauvre. La simulation numérique de ce type de chambre nécessite de prédire avec précision la température, la dynamique de flamme et la formation de polluants. Comme l’écoulement est fortement instationnaire, l’utilisation de la simulation aux grandes échelles s’avère nécessaire. C’est dans ce contexte que nous avons développé le modèle F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). Ce modèle se base sur un filtrage a priori de flammelettes calculées en prenant en compte les effets liés à la chimie détaillée. Il permet alors d’améliorer la prédiction des polluants et de la température tout en prenant en compte les contributions résolues et de sous maille de plissement, garantissant ainsi la bonne prédiction de la vitesse de propagation de la flamme. F-TACLES est appliqué à deux configurations d’injecteurs industriels étudiés expérimentalement : les chambres PRECCINSTA et MOLECULES. Sur le plan de la prédiction de la dynamique de flamme, le développement de F-TACLES a induit une réflexion plus générale sur la combustion en LES. En effet, l’ensemble des méthodes de simulation de la combustion introduisent un épaississement artificiel de la flamme afin de pouvoir la résoudre sur le maillage de calcul. L’impact de cet épaississement est étudié pour les approches TFLES (Thicken Flame for Large Eddy Simulation) et F-TACLES dans le cadre simplifié de la combustion prémélangée. Pour cela, une approche analytique ainsi que des simulations laminaires et turbulentes sont réalisées et comparées à des simulations directes (Direct Numerical Simulation) et à des données expérimentales. Pour finir, la chambre de combustion d’un hélicoptère est simulée avec l’approche F-TACLES pour reproduire et comprendre l’effet d’une modification géométrique observée expérimentalement. / In the present-day context, to reduce fuel consumption and emissions of pollutants such as CO2 or NOx, aeronautical combustion chambers of new generation are based on lean partially-premixed combustion. The numerical simulation of these configurations then requires to accurately predict the temperature, the flame dynamics and the pollutant formation. To capture flow instationnarities, Large Eddy Simulation (LES) is required. In this context, we have developed the model F-TACLES (Filtered tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). This modeled is based on an a priori filtering of flamelet that takes into account detailed chemistry effects. It lets to improve predictions of pollutants and temperature with the resolved and modelled contributions of the flame wrinkling, while guaranteeing a correct prediction of the flame propagation speed. F-TACLES is applied to two experimentallystudied industrial injectors : the PRECCINSTA and MOLECULES combustion chambers. In terms of flame dynamics prediction, the F-TACLES development induced a more general reflection on the combustion LES. Indeed, all methods of combustion simulation introduce an artificial thickening of the flame front for an appropriate resolution on the computational mesh. In the simplified framework of premixed combustion, the impact of this thickening is measured for two different approaches : TFLES (Thicken Flame for LES) and F-TACLES. For this purpose, an analytical model as well as laminar and turbulent simulations are compared to direct numerical simulation (DNS) or experimental data. Finally, a helicopter combustion chamber is simulated with the F-TACLES approach in order to attempt to reproduce the impact of a geometric modification on the combustion.

Dans un contexte où les questions environnementales et énergétiques ont une importance capitale, les constructeurs automobiles sont fortement poussés à développer des moteurs à combustion interne toujours plus économes et moins polluants. Pour le développement de procédés de combustion innovants et l'amélioration de leur compréhension, la simulation aux grandes échelles apparaît comme un outil prometteur. Ce travail de thèse traite du développement et de la validation d'un modèle pour la simulation aux grandes échelles de la combustion Diesel. Le modèle ADF-PCM, basé sur la tabulation de flammes de diffusion approchées auto-inflammantes étirées et permettant la prise en compte d'une cinétique chimique détaillée, est utilisé dans ces travaux. Le modèle ADF est tout d'abord introduit. Il permet d'approximer des flammes de diffusion laminaires à partir de flammelettes dont les termes chimiques proviennent de calculs de réacteurs homogènes. La première étape de ces travaux consiste à valider ces flammes de diffusion approchées dans des configurations proches de celles observées dans les moteurs Diesel. Le modèle ADF-PCM, initialement développé dans un formalisme RANS, est ensuite étendu à un formalisme LES pour des écoulements diphasiques et intégré dans le code LES compressible AVBP. Un modèle de stratification en température ainsi que les termes de couplage avec la phase liquide décrite par un formalisme Eulérien sont développés. Le modèle ADF-PCM est ensuite validé sur deux expériences de sprays Diesel en enceinte fermée. Il permet une bonne reproduction des résultats expérimentaux en termes de délai d'auto-inflammation, de dégagement de chaleur et de hauteur d'accrochage de la flamme. Les prédictions du modèle ADF-PCM sont ensuite comparées avec celles d'autres modèles faisant différentes hypothèses simplificatrices par rapport à la structure de flamme et la stratification en sous-maille de la fraction de mélange. Les résultats obtenus à l'aide de ces différents modèles soulignent la nécessité de la prise en compte de ces effets, même pour des résolutions spatiales fines. Finalement, des comparaisons entre les résultats expérimentaux et la simulation sont réalisées avec le modèle ADF-PCM pour différents taux de gaz recirculants. Celui-ci montre une reproduction qualitative de l'effet des gaz recirculants sur la combustion. / In a context where environmental and energetic issues are of major importance, car manufacturer are pushed toward developing more and more efficient vehicle with less pollutant emissions. To develop new combustion processes and improve their understanding, Large-Eddy Simulation appears as a promising tool. This thesis deals with the development and the validation of a model for Large-Eddy Simulation of Diesel combustion. The ADF-PCM model, based on the tabulation of strained approximated diffusion flames which allow to take into account detailed chemical schemes, is used. First, the ADF model is introduced. It approximates laminar diffusion flames by flamelets for which the chemical terms are extracted from a look-up table based on homogeneous reactors. The first step of this work consists in the validation of these approximated diffusion flames in Diesel conditions. The ADF-PCM model, initially formulated in a RANS formalism is extended to Large-Eddy Simulation of two phase flows and implemented in the AVBP LES compressible solver. A temperature stratification model is developed, as well as coupling terms for the liquid phase described by an Eulerian formalism. The ADF-PCM model is then assessed and validated on two experiments of Diesel liquid sprays injected into a constant volume chambers. It accurately predicts experimental _ndings in terms of auto-ignition delay, heat release rate and lift-off length. ADF-PCM results are then compared with those of other models considering different simplifying assumptions concerning flame structure or subgrid-scale mixture fraction stratification. The results indicate the necessity to consider these effects, even for fine grids. Finally, the capacity of the ADF-PCM approach to reproduce the influence of exhaust gas recirculation over combustion is assessed. Comparisons between experimental and simulation results indicate a qualitative reproduction of exhaust gas recirculation impact over combustion.

Les responsabilités environnementales font que les constructeurs automobiles visent à acquérir des connaissances approfondies sur les phénomènes physico-chimiques des chambres de combustion des moteurs pour la compréhension et le contrôle des émissions polluantes. En dépit des performances remarquables dans le domaine du calcul numérique intensif de très haute performance, les simulations numériques des chambres de combustion des moteurs à combustion interne ne permettent pas encore une description détaillée des processus chimiques. L’objectif de ces travaux est d’améliorer les modèles de combustion turbulente basés sur la Simulation aux Grandes Echelles en développant une méthode de tabulation de la cinétique chimique représentative de la combustion dans un cycle moteur. Une attention toute particulière est portée sur la capacité de la méthode de tabulation à reproduire la formation des espèces polluantes lors des phases de compression, d’auto-allumage et de détente d’un moteur à combustion interne. Cette méthode suppose que la chimie dans une chambre de combustion interne peut être approchée par une tabulation des résultats issus de calculs de réacteurs isochores 0-D, les coordonnées de la table étant: la variable de progrès, l’énergie et la masse volumique. La capacité prédictive de la technique de tabulation a été testée par des simulations d’auto-allumage en volume variable. La méthode de tabulation "Tabulated Thermo Chemistry" (TTC) a été initialement développée pour coupler la cinétique chimique à des solveurs Navier-Stokes compressibles dans des situations d’écoulement à faible nombre de Mach. Dans ce travail, la méthode TTC a été adaptée pour la combustion à pression variable. Une version TTC dédiée à la combustion dans les moteurs est donc implantée dans un code instationnaire LES compressible. La méthode de couplage a été testée avec succès tant sur des configurations simplifiées que sur une Machine à Compression Rapide. / Due to environmental concerns, automotive manufacturers aim at acquiring knowledge of physical and chemical phenomena inside the combustion chamber to understand and control pollutant emissions. Despite the outstanding performances in the domain of high performance intensive numerical calculation, the numerical simulations of the combustion chambers of the internal combustion engines do not allow a detailed description of the chemical processes. The present study aims to improve the turbulent combustion models based on Large Eddy Simulation approach by developing an efficient cost cutting tabulation method to fit chemistry in engine combustion modeling. A particular attention is paid to the capacity of the tabulation method to reproduce the pollutant species formation during the compression stroke, the reaction phase, and the power stroke of an ICE. This method assumes that IC engine chemistry can be mapped by a collection of 0-D reactor computation data, using for coordinates: the progress variable, the energy and the density. In a first step, the chemical prediction capability of this technique is validated on an auto-igniting variable volume simulation. The Tabulated Thermo Chemistry (TTC) method was initially developed to couple the chemical kinetics with compressible Navier-Stokes solvers for low Mach number flows. In this work, the TTC method was adapted in the framework of variable pressure combustion. A TTC version dedicated to engine combustion is thus coupled in an unsteady compressible LES code. The method of coupling was successfully tested both on simplified configurations and on a Rapid Compression Machine.

Název práce: Netradiční fyzikální tabulky Autor: Karolina Slavíková Katedra: Katedra didaktiky fyziky Vedoucí diplomové práce: Mgr. Jakub Jermář, Katedra didaktiky fyziky Abstrakt: Hlavním výsledkem diplomové práce jsou elektronické fyzikální tabulky obsahující přes 300 položek objekt· a jejich vlastností - fyzikálních veličin. Tyto tabulky jsou součástí práce a jsou umístěny na jejím konci jako příloha. Práce se zabývá problematikou výběru vhodných objekt· z reálného života a použitím jejich typických vlastností pro tvorbu nových fyzikálních úloh. Její součástí je zmapování středoškolských učebnic, které tvořily podklad pro výběr objekt· a jejich vlastností, a dále tvorba elektronických fyzikálních tabulek a jejich využití ve výuce. Práce obsahuje čtyři vzorové příklady pro základní a střední školy a návod na použití elektronických tabulek. ást práce se zabývá názory na pro- blematiku hmotného bodu a metodami měření a odhadování fyzikálních veličin pomocí jednoduchých pom·cek. Klíčová slova: fyzikální veličiny, elektronické tabulky, tabelované hodnoty Title: Unusual physical tables Author: Karolina Slavíková Department: Department of Physics Education Supervisor: Mgr. Jakub Jermář, Department of Physics Education Abstract: The main outcomes of this thesis are electronic physical tables contai- ning over...

Because of its thermochemical qualities, ammonia is an attractive alternative to carbon-based fuels. Indeed, the lack of carbon atoms in its molecular structure and the ease of storage make its widespread use desirable. However, there are a number of technological challenges that must be overcome due to the slow burning rate and its large latent heat. The objective of the dissertation is to model ammonia spray flames because direct liquid fuel injection in a combustion chamber is an essential aspect of the design of practical devices. The topic has been divided into a number of sub-problems, which are examined in each chapter of the thesis, due to the lack of fundamental physical details of the individual processes occurring and modeling considerations that cannot be ignored anymore.To better understand how the large latent heat affects the spray dynamics, a campaign of direct numerical simulations is initially performed at various ambient temperatures. Then, conducting large eddy simulations is preferred to lower the computational cost. The assessment of the dispersion models showed that the available options, however, are unable to reproduce the averaged droplet distribution across the entire domain and an improved model is proposed. Droplet evaporation causes local inhomogeneities in the mixture, which simultaneously induces multiple combustion modes. The Darmstadt Multi-Regime Burner (MRB) was the ideal candidate to investigate the physical aspects in advance. The best option for capturing its flame structure was the physically-derived multi-modal manifold and a regime classification index is formulated and tested on the MRB.Then, a machine learning strategy based on neural networks is suggested to quicken the look-up procedure, and preliminary validation of the methodology revealed that a time reduction of 30% is achieved without affecting the results' accuracy.

La conception des chambres de combustion industrielles (chambres de combustion aéronautiques, fours industriels, etc.) requiert une prédiction fine des phénomènes physiques dominants. En particulier, l’interaction flamme turbulence aux échelles résolues et non-résolues, l’impact de la composition et du mélange des réactifs, l’impact des pertes thermiques et de la diffusion différentielle doivent être capturés fidèlement. C’est dans ce contexte que le modèle de combustion turbulente F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistryfor Large Eddy Simulation) a été développé afin de coupler une méthode de chimie tabulée (FPI) avec le formalisme de la simulation aux grandes échelles(LES).Dans cette thèse, le modèle F-TACLES, initialement développé pour des écoulements adiabatiques, est étendu à la prise en compte des pertes thermiques. Un formalisme adapté à l’utilisation de bases de chimie tabulée calculées avec la diffusion différentielle est aussi proposé. Ces développements sont validés sur deux configurations : le brûleur TSF et le brûleur SWB.La modélisation de l’interaction flamme-turbulence est ensuite étudiée. Une étude de sensibilité du modèle de plissement de sous-maille de Charlette et al. (2002) à ses paramètres et sous-modèles est réalisée sur le brûleur SWB.En particulier, une méthode d’estimation dynamique des paramètres est aussi évaluée et montre d’excellents résultats. Une généralisation du formalisme de la LES pour les écoulements réactifs est ensuite proposée afin de prendre en compte explicitement les deux filtres mis en jeu dans les simulations : le filtre associé à l’écoulement et le filtre associé à la flamme. Deux stratégies de fermetures sont proposées en se basant sur des modèles existants (F-TACLES et TFLES). Le modèle obtenu, appelé modèle F2-TACLES, est ensuite validé et comparé avec F-TACLES sur la configuration semi-industrielle PRECCINSTA.Pour terminer, la capacité du modèle F-TACLES à capturer l’impact des pertes thermiques et de la composition des gaz frais sur la topologie de flammes est évaluée. Cette étude est réalisée sur une série de flammes CH4-H2-Air turbulentes en giration et prenant des formes différentes en fonction du niveau de pertes thermiques et de la composition des réactifs. / The design of industrial combustion chambers (aeronautical engines, industrial furnaces, etc.) require a fine prediction of the different governing phenomena. Flame-turbulence interaction at resolved and unresolved scales, impact of reactants composition and mixing process, impact of heat losses and differential diffusion have to be correctly captured in such configurations. For that purpose,the turbulent combustion model F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry forLarge Eddy Simulation) has been developed to couple tabulated chemistry with large eddy simulation (LES) formalism.In this thesis, the F-TACLES model, initially developed for unity Lewis number and adiabatic flows, is extended to account for heat losses. A formalism allowing the use of chemical databases (1-D premixed flames) computed with differential diffusion is also proposed. The extended model is validated on two different configurations: the TSF burner and the SWB burner. Modeling of flame-turbulence interaction is then studied. For unresolved flame turbulence interactions, a sensitivity analysis of the Charlette et al. (2002) sub-grid scale wrinkling model to its own parameters and sub-models is performed on the SWB burner. A dynamic estimation of the model parameter is also assessed and showed very promising results. For resolved flame-turbulence interactions, a generalized formalism of the LES of reactive flows is proposed in order to account explicitly for both flame and flow filters. Two closure strategies are proposed based on the F-TACLES and TFLES models. The F2-TACLESmodel is then validated and compared to the original formulation of the FTACLES model. This study is performed on the lean premixed semi-industrial PRECCINSTA burner.The ability of the extended F-TACLES model to capture the impact of both heat losses and fresh gas composition on the flame topology is assessed. This study is conducted on a CH4-H2-Air turbulent and swirling flame series. These flames exhibit very different shapes depending on the level of heat losses and fuel composition.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

Malgré l'augmentation constante des ressources informatiques dédiées au calcul scientifique, simuler des écoulements réactifs mettant en jeu une chimie complexe reste aujourd'hui encore un véritable challenge. L'objectif de cette thèse est le développement de la méthode Hybrid Transported-Tabulated Chemistry (HTTC), destinée aux simulations DNS/LES de flammes avec des mécanismes cinétiques détaillés, en offrant un temps de calcul acceptable. Cette nouvelle approche consiste à transporter les espèces majoritaires de l'écoulement, tandis que les espèces minoritaires sont extraites d'une table chimique. La méthode HTTC a été implémentée dans un code DNS/LES et validée sur des flammes 1D de méthane et de kérosène, mettant en évidence une réduction extrêmement importante du temps de calcul, comparé aux solveurs classiques de chimie détaillée. HTTC a ensuite été mis en œuvre avec succès sur des flammes triples de méthane en présence de forts gradients de fraction de mélange. L'impact des méthodes choisies pour prolonger la table chimique et pour calculer les variables de contrôle, utilisées pour paramétrer la table, a été étudiée avec une attention particulière. Un très bon accord a été trouvé avec les résultats de référence, obtenus avec un solveur de chimie détaillée. / Even if significant progress is being made to improve the power of high-performance computers, the numerical simulation of reactive flows involving complex chemistry is still a challenging task. The objective of this work is the development of the Hybrid Transported-Tabulated Chemistry method (HTTC), designed for the DNS/LES simulations of flames with detailed kinetic mechanisms, with an acceptable cost. This novel approach combines the transport of the main species in the flow with the tabulation of the radical species. It has been implemented in a DNS/LES code and validated on 1D methane and kerosene flames. The cost of the simulations has been considerably decreased, compared to classic detailed chemistry solvers. Then, simulations of methane edge flames, featuring large gradients of mixture fraction, have been performed with HTTC. In particular, the impact of the methods used to extend the chemical tables and to compute the control variables have been analyzed in details. A very good agreement has been found by comparison with detailed chemistry.