par Palluotto, Lorella
Promoteur Parente, Alessandro ;Gicquel, Olivier
Co-Promoteur Vicquelin, Ronan
Publication Non publié, 2019-07-04
Thèse de doctorat
Résumé : La simulation numérique représente un outil important pour la conception des systèmes de combustion. La prédiction des flux aux parois joue un rôle déterminant dans le cycle de vie des chambres de combustion, car elle permet de prédire la fatigue thermique des parois. Le transfert de chaleur de la flamme aux parois est entraîné, outre la convection, également par le rayonnement des gaz chauds au sein de la chambre. Pour évaluer les transferts thermiques aux parois il faut donc tenir compte des flux radiatifs. Les pertes thermiques aux parois dépendent de la répartition de la température des gaz qui est, à son tour, fortement modifiée par le rayonnement des gaz brûlés. Afin d’intégrer les contributions convectives et radiatives au flux pariétal dans des simulations numériques, il est nécessaire de résoudre simultanément l'équation de transfert radiatif et les équations régissant l’écoulement réactif. De nos jours, les simulations couplées impliquant combustion et transfert de chaleur radiatif sont de plus en plus utilisées et ciblées. Grâce à l'augmentation de la puissance de calcul, l'utilisation des méthodes de Monte Carlo (MC) dans des simulations 3D instationnaires, telles que les simulations numériques directes (DNS) et les simulations aux grandes échelles (LES), est devenue. Cependant, de telles simulations restent très coûteuses. L’objectif de cette thèse est donc d’investiguer une technique pour améliorer l’efficacité de la méthode MC, basée sur un mécanisme alternatif d’échantillonnage et appelé intégration Quasi-Monte Carlo (QMC). Cette méthode a rarement été utilisée pour la résolution numérique du rayonnement thermique. Dans cette étude, la méthode QMC est appliquée sur plusieurs configurations 3D et comparée à celle de MC. L’amélioration de l’efficacité obtenue par QMC fait de cette méthode un candidat idéal pour des simulations haute-fidélité couplées avec des simulations LES ou DNS. Au cours de cette thèse, la méthode QMC a pu être appliquée à une configuration où le rayonnement joue un rôle important : la chambre Oxytec, étudiée expérimentalement au laboratoire EM2C. Deux flammes prémélangées swirlées à pression atmosphérique ont été étudiées expérimentalement : une flamme méthane-air (Flamme A) et une oxy-flamme de méthane diluée en CO2 (Flamme B). Malgré leur composition différente, ces flammes partagent de nombreuses caractéristiques communes. Les premières simulations numériques de la chambre Oxytec sont réalisées dans ce travail : une approche QMC, permettant de résoudre l’équation de transfert radiatif avec des propriétés radiatives détaillées des gaz et des parties solides de la chambre, est couplée au solveur LES pour la simulation de la Flamme A. Des simulations couplées LES-QMC sont effectuées en imposant la température mesurée aux parties solides de la chambre de combustion. La comparaison entre les simulations couplées et non couplées avec les données expérimentales montre que le rayonnement thermique a un impact sur la topologie de l’écoulement et de la flamme. De plus, les pertes radiatives représentent le 20% de la puissance thermique de la flamme et environ 35% de la puissance radiative émise et absorbée par la flamme est transmise à l'extérieur à travers les fenêtres en quartz. Enfin, un bon accord est trouvé entre le flux de chaleur pariétal numerique et les données expérimentales. Dans la dernière partie de cette thèse, l’étude se concentre sur la flamme B, où l’on s’attend que la concentration élevée de CO2 dans les gaz brûlés augmente le transfert de chaleur radiatif. Il est d’abord montré que la présence d’une espèce absorbante telle que le CO2 dans les gaz frais augmente la vitesse laminaire de flamme d’un facteur qui dépend de la taille de la configuration étudiée. Ensuite, les premiers résultats issus des calculs LES de la Flamme B sont présentés : les résultats préliminaires sur le transfert radiatif sont discutés et comparés à ceux obtenus à partir des simulations couplées de Flamme A.

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