Pour des raisons évidentes d’opération et de sécurité, l’allumage est un problème essentiel dans les moteurs aéronautiques. La conception d’une chambre de combustion de turbine à gaz intègre de multiples objectifs contradictoires, l’un d’entre eux étant un allumage ou ré-allumage efficace des brûleurs. Parmi les paramètres dont disposent les ingénieurs dans la phase d’optimisation du design, le nombre de systèmes d’injection de carburant et leur espacement sont des points cruciaux qui doivent être fixés dès le début. En effet, de tels choix ont non seulement un impact sur le coût de fabrication et la taille de la chambre mais ils affectent aussi l’efficacité d’un moteur ainsi que ses caractéristiques d’allumage. Afin d’améliorer les connaissances relatives au processus l’allumage dans des moteurs réels, la recherche actuelle combine des expériences fondamentales de plus en plus complexes et des simulations numériques de haute fidélité. Ces actions se concentrent d’une part sur les premiers instants où le noyau de flamme apparaît et d’autre part sur la phase de propagation entre les différents brûleurs. Ces deux phases sont capitales mais restent difficiles à étudier simultanément. Le premier objectif de cette thèse vise à évaluer les modèles SGE sur un seul brûleur expérimental situé au CORIA (France) pour mettre en place une méthodologie fiable afin de réaliser numériquement une séquence d’allumage dans des conditions d’opération réelles et équivalentes aux premiers instants. Une telle étude met en jeu plusieurs phénomènes tels que les écoulement swirlés, l’allumage, l’extinction, la propagation de flamme et les interactions flamme/turbulence. Tous ces processus et mécanismes interagissent et augmentent de façon significative le niveau de difficulté, notamment pour modéliser la combustion turbulente d’un tel allumage. Ces modèles requièrent donc d’être évalués précisément. Ensuite, ce travail examine par la simulation numérique la phase de propagation en utilisant les expériences réalisées sur une chambre composée de plusieurs injecteurs. La comparaison des séquences d’allumage obtenues numériquement avec celles des données expérimentales montre que la SGE reproduit les bonnes tendances et s’avère prédictive. D’un point de vue global, les caractéristiques de propagation du front de flamme en direction des injecteurs voisins sont bien capturées par le numériquemontrant desmodes de propagation identiques à ceux obtenus expérimentalement (radial ou axial) et des temps d’allumage similaires. Pour finir, l’analyse détaillée de ces données numériques a permis d’identifier les mécanismes principaux qui sont à l’origine des différents modes de propagation. / For evident operational and safety reasons, ignition is a key feature of aeronautical gas turbine applications. In fact the design of a gas turbine combustion chamber imposes multiple contradicting objectives one of them being efficient ignition or re-ignition. Among all the parameters available to the engineers, the number of fuel injection systems and their spacing are crucial elements, that must be fixed early on in the design phase. Such choices however not only impact the manufacturing cost and size of the combustor but they also affect the operability of the engine as well as its ignition. To improve knowledge of the ignition process occurring in real engines, current research combines fundamental and increasingly complex experiments complemented by high fidelity numerical simulations. These actions focus on the one hand on the initial instants where the first flame kernel appears as well as the follow-on instants corresponding to the light-around phase or burner to burner flame propagation phase. Both phases are clearly important but are difficult to study simultaneously. The first purpose of this thesis aims at assessing LES models on a single experimental burner located at CORIA (France) to provide a reliable numerical methodology to achieve an ignition sequence in real engines. Indeed, various phenomena are involved in such numerical studies dedicated to real aeronautical combustion chambers and all need to be reproduced by numerics: swirling flows, ignition, quenching, flame propagation, flame/turbulence interactions. All of these processes interact and clearly raise the level of difficulty notably in terms of turbulent combustion modeling of an ignition transient. Having assessed the method on a single burner configuration, the work then investigates the second phase, using a multi-injector experiment simulated by LES to study the flame propagation during ignition. The comparison of numerical fully transient ignition sequences with experimental data shows that LES recovers features found in the experiment. Global events such as the propagation of the flame front to neighboring swirlers are well captured and correct propagation modes (radial or axial) as well as correct overall ignition time delay are obtained. Finally the detailed analysis of LES data allows to identify the driving mechanisms governing each of these propagation modes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014INPT0004 |
| Date | 30 January 2014 |
| Creators | Barre, David |
| Contributors | Toulouse, INPT, Gicquel, Laurent, Staffelbach, Gabriel |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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