Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique.

Application au Superstatoréacteur

Yann Moule3e annéeDEFA/PRABourse ONERA

Directeurs de thèse: Arnaud Mura (Institut P’)

Vladimir Sabel’nikov (ONERA)

Encadrant ONERA: Vladimir Sabel’nikov

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours

• Conclusions et perspectives

• Publications et modules de formation suivis

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• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours

• Conclusions et perspectives

• Publications et modules de formation suivis

Plan

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Contexte

• Dimensionnement système propulsif supersonique aérobie PREPHA, JAPHAR, LEA

• Besoin d’un outil numérique validé en soutien des moyens d’essai– Délai d’allumage

– Rendement de combustion

– Flux thermique aux parois

– Perte de pression d’arrêt

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Objectifs scientifiques• Écoulement supersonique: temps de résidence faible

• Temps caractéristiques turbulent et chimique comparables (@Mach de vol modéré)• Da ~ 1

• Approche « classique » (équilibre chimique, cinétique Quasi-Laminaire, flammelette …) pour décrire les écoulements réactifs à Mach de vol modéré non adaptée

• Développer un modèle d’Interaction Chimie-Turbulence (ICT)• Effets du mélange turbulent• Effets de cinétique chimique finie

• Valider ce modèle sur différents cas test représentatifs à l’aide du code CEDRE

• Améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans l’auto-allumage et la stabilisation d’une flamme en régime supersonique

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique• Développement d’un modèle ICT• Cas test de validation• Activités en cours

• Conclusions et perspectives

• Publications et modules de formation suivis

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• Couche de cisaillement• Développement de structures cohérentes (instabilités type Kelvin-Helmoltz)• Mélange aux petites échelles• Apparition de poches, partiellement pré-mélangées, susceptibles de brûler

Développement d’une couche de mélange

Ces poches en combustion intermittente jouent un rôle prépondérant dans l’auto-allumage et la stabilisation de la flamme.

• Effet de compressibilité• Affecte le mélange• Modifie la topologie de l’écoulement et donc le délai d’allumage

La couche de mélange réactive (1/2)Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

Fully micromixed region

Fuel

AirU1

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• Effet de la cinétique• Cinétiques H2 / Air • Détermine les temps caractéristiques chimiques• Effets de viciation

• Régimes de combustion• Plusieurs régimes observé [1] en fonction des caractéristiques locales (nombre de

Damköhler) de la zone d’induction : - régime d'allumage brusque - régime d’allumage étalé

• Compétition entre : - effets de compressibilité - dissipation visqueuse - mélange turbulent - cinétique chimique

Injecteur ONERA au banc LAERTE

La couche de mélange réactive (2/2)Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

[1] “Self-Ignition of Hydrogen-Ethylene Mixtures in a Hot Supersonic Air Flow” P. Magre, V. Sabel’nikov (2002)

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Mise en place d’un modèle ICT (1/4)• Développement d’un modèle d’Interaction Chimie – Turbulence (ICT)

• Les deux approches RANS et LES sont considérées

• Pour décrire correctement l’auto-allumage et la stabilisation de la flamme, chaque maille de calcul est traitée comme un réacteur partiellement mélangé (PaSR)

• Approche générale

• Modèles de sous-maille multi-échelle pour la combustion• Les réactions se déroulent aux plus petites échelles, là où le mélange est le plus intense• Introduction de * , fraction volumique des structures fines• Le taux de production moyen est alors modélisé par:

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)()( * jj ww

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Mise en place d’un modèle ICT (2/4)• Modèles basé sur un équilibre local (PaSR)

EDC: Modèle multi-échelle qui suppose que les réactions chimiques se déroulent aux plus petites échelles (échelles de Kolmogorov lK et K)

PaSR: Modèle multi-échelle qui suppose que le mélange et les réactions chimiques se déroulent de manière séquentielle dans chaque volume de calcul

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N

i iifi

N

i iiii

iiii

TYwhhYhY

TYwYY

1

**,*

1

00**

**

*

0*

énergie),,()(

masse),,()(

Échange local entre * et °

° *

Maille de calcul

2/12/3

4/32/1

)/(23.1*)/(02.1*

k

k

vK

cc

/ ,)(*)*/(*

2/1

c est le temps caractéristique chimique

* et τ* sont respectivement proportionnels à lK et K (RANS et LES)En LES k et Δ sont respectivement l’énergie de sous maille non résolue et la taille de mailleEn RANS k et l sont respectivement l’énergie cinétique turbulente et l’échelle intégrale de turbulence

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Mise en place d’un modèle ICT – Approche RANS (3/4)• Modèles spécifique à la modélisation RANS

• En plus de PaSR, spécifique à l’allumage• Importance fluctuations de T • DL à l’ordre 2 des termes sources chimiques en T

• Effets limité au phénomène d’allumage ( T < Tcritique )

• Équation de transport pour la variance de T [2]• Équation pour la variance de l’énergie• Équation classique de scalaire

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TTT

TTTt CTT ˆ~

Pr2)~()(

22 vv

),~

,~

,(),,( Tkjkj TYwYTw

[2] “Investigation Of An Assumed PDF Approach For Finite-Rate Chemistry” P. Gerlinger (2010)

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Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (1/3)Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

[3] “Finite-rate Chemistry Effects in a Mach 2 Reacting Flow” T. Cheng et al. (1991)

Flamme supersonique (Cheng et al.)

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x/D=10.8 x/D=21.5

x/D=32 x/D=43.6

Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (2/3)

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Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

x/D=10.8 x/D=21.5

x/D=43.1

Calcul PaSR – RANS / Configuration Académique (3/3)

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Calcul LES / Configuration Académique • Configuration Cheng et al.

• ~ 31 MCells, 94 MFaces• Calcul Arrhenius en cours• Comparaison du modèle PaSR-LES avec le modèle PaSR-RANS

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[4] “Shock Tunnel Experiments with a Mach 12 REST Scramjet at Off-Design Conditions” M. Suraweera et al. (2008)

RESTM12 (UQ/Australie)[4]

Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (1/4)

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Fuel off

Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (2/4)

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Step injection – =1.14 Inlet injection – =0.41

Combined injection (1:2) – =1.23

Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (3/4)

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Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

Step injection – =1.14 – Dégagement de chaleur

Inlet injection – =0.41 – Dégagement de chaleur

Calcul PaSR – RANS / Configuration Moteur (4/4)

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction• Définition d’un cas test représentatif• Analyse physique du cas test• Activités en cours: LES et étude expérimentale

• Conclusions et perspectives

• Publications et modules de formation

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Conclusions et perspectives• État d’avancement:

• Analyse des phénomènes physiques prépondérants

• Étude comparative de schémas cinétiques H2 / Air

• Amélioration et implémentation du modèle PaSR dans CEDRE

• Méthodologie PaSR-RANS validée sur une configuration académique

Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

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Conclusions et perspectives• A venir…

• Validation PaSR-LES en cours sur une configuration académique

• Validation PaSR-RANS en cours sur une configuration de superstatoréacteur

• Rédaction du mémoire de thèse / articles

Intro | Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de jonction• Définition d’un cas test représentatif• Analyse physique du cas test• Activités en cours: LES et étude expérimentale

• Conclusion et perspectives

• Publications et modules de formation

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Publications et modules de formation• Conférence:

• AIAA Space Plane Conference, April 2011, San Fransisco (CA)• « Modelling of Self-Ignition Processes in Supersonic Non Premixed Coflowing

Jets Based on a PaSR Approach », Y. Moule, V. Sabel’nikov, A. Mura

• Modules de formation:• Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010)• Ecole de Combustion (CNRS) (2010)• Rédaction du mémoire de thèse (Onera) (2011)

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Questions