Soutenance mémoire
Physique des flammes non prémélangées
Dans les flammes non prémélangées, le combustible et l’oxydant sont initialement séparés avant de se rejoindre pour réagir. La diffusion moléculaire transporte le combustible vers l’oxydant et vice versa. Il existe ainsi une zone de l’espace où le mélange est stoechiométrique et où le dégagement de chaleur est le plus fort : c’est le lieu où se positionnera la flamme si la température locale est suffisante. Le taux de réaction chimique s’équilibre alors avec l’inter-diffusion des réactifs qui à la fois supporte et limite l’apport en gaz frais. La structure des « flammes de diffusion » est illustrée en figure 1.1 avec l’exemple d’une flamme de bougie en paraffine. Une flamme non prémélangée ne possède pas de dynamique propre et est entièrement déterminée par la position de la ligne stoechiométrique. Les vitesses de diffusion des réactifs et de la chaleur caractérisent son épaisseur. A travers ces propriétés, il est possible de localiser la flamme en suivant l’évolution d’une variable passive, simplement convectée et diffusée par l’écoulement
La turbulence
Chassaing (2000) définit la turbulence comme l’état d’un fluide visqueux ayant dépassé le seuil d’énergie cinétique nécessaire à la décohésion des filets fluides (perte du caractère laminaire). En effet, aux faibles vitesses, la viscosité moléculaire du fluide amortit les petites perturbations au sein du fluide qui conserve un caractère laminaire ordonné. Si le fluide accélère, les gradients de vitesse augmentent et les mécanismes d’instabilités de Kelvin-Helmholtz (enroulement en structures tourbillonnaires) et de Rayleigh-Taylor amplifient de manière non-linéaire ces petites perturbations qui finissent par affecter l’ensemble de l’écoulement et le font passer à l’état turbulent. La turbulence présente un comportement chaotique (peu prévisible), tridimensionnel (perte des symétries existantes) et instable (fortes fluctuations avec le temps). Au sein du large spectre spatial et temporel de la turbulence, on peut établir une hiérarchie des structures tourbillonnaires en considérant l’énergie qu’elles possèdent :
1. L’échelle macroscopique : Elle est associée aux grandes structures anisotropes de l’advection moyenne qui suivent les directions privilégiées imposées par la géométrie. Elle porte la quasi-totalité de l’énergie cinétique turbulente.
2. L’échelle de Taylor : Elle est associée aux échelles intermédiaires de l’écoulement qui transfèrent l’énergie vers les plus petites structures par un mécanisme d’étirement / compression du fluide qui réduit l’anisotropie initiale.
3. L’échelle de Kolmogorov : Elle est associée aux plus petites structures isotropes où la viscosité moléculaire intervient et finit par dissiper l’énergie tourbillonnaire résiduelle en chaleur.
Proposée par Kolmogorov (1941), cette notion de cascade d’énergie est représentée par l’évolution de l’énergie dans le spectre des vecteurs d’onde ~κ en (rad/m) de longueur d’onde l = 2π/||K~ ||. La turbulence est traitée comme un ensemble de structures tourbillonaires s’étalant sur un large spectre de fréquence (assimilable à la fréquence de rotation des tourbillons). On observe alors que l’énergie est produite aux faibles nombres d’onde (gros tourbillons) et dissipée aux grands nombres d’onde (petits tourbillons).
Fuel NO
Certains hydrocarbures contiennent de l’azote (d’origine organique) dans leur structure élémentaire. Le charbon, fortement utilisé dans les centrales thermiques, contient par exemple jusqu’à 2% en masse d’azote lié. La pyrolyse du combustible forme rapidement des espèces intermédiaires azotées NHi et cyanurées CN, HCN par un mécanisme très complexe qui passe alors le relais au mécanisme du NO précoce. Le NO combustible est prépondérant dans la zone réactionnelle de la flamme et sa vitesse de formation est comparable à celle du NO thermique. Favorisée par les radicaux O, OH et par O2, la formation de NO est ici faiblement dépendante de la température. La gaz naturel est un mélange gazeux contenant parfois du diazote N2 mais il n’inclut pas d’azote d’origine organique. Ainsi, le mécanisme du Fuel NO n’interviendra pas dans notre cas d’étude. Toutefois, pour la combustion globalement pauvre du gaz naturel dans les chambres de combustion de TAC, un mécanisme supplémentaire de formation du NO par l’intermédiaire du N2O peut exister.
La méthode FPI : Flame Prolongation of ILDM
Le formalisme de la méthode ILDM s’appuie sur de solides fondations mathématiques et fournit d’excellents résultats près de l’équilibre chimique. Toutefois, en raison de l’hypothèse de relaxation des modes rapides situés hors de l’ILDM (voir figure 2.8), elle décrit assez mal les zones de basses températures. Il fallait donc trouver une approche capable de traiter les problèmes où interviennent l’allumage, les phénomènes transitoires ou autres phénomènes de diffusion. La solution proposée par Gicquel (1999) est de prolonger l’ILDM avec des calculs 1D de flammes laminaires stationnaires à cinétique détaillée. Cette méthode est similaire à la méthode FGM proposée indépendamment par Oijen et al. (2001). Bien que disposant d’un support mathématique moins rigoureux que l’ILDM originel, ces méthodes fournissent de bien meilleurs résultats à basse température tout en convergeant vers les résultats de l’ILDM à haute température (Gicquel et al., 2000).
Description de Code_Saturne
Créé à EDF R&D en 1998, Code_Saturne concentre les potentialités de ses deux codes de calcul pères : un code dédié aux aspects géométriques et de maillage (N3S) et un code de calcul d’écoulement turbulent (Estet). Depuis janvier 2007, Code_Saturne est disponible en open-source (http ://rd.edf.com/accueil-fr/edf-recherche–developpement/ logiciels/code-saturne/code-saturne–telechargement-106998.html). Sa structure fortement modulaire est constituée d’un noyau central auquel peuvent être rajoutés divers modules traitant de physiques particulières (combustion, rayonnement, électromagnétisme, diphasique lagrangien). Le noyau de Code_Saturne permet la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles ou faiblement dilatatables avec divers modèles de turbulence et gère l’introduction de scalaires utilisateurs. Les travaux de Archambeau et al. (2004) détaillent le noyau et le schéma temporel utilisé. On y décrit également la discrétisation spatiale par une méthode de volumes finis collocalisés (toutes les variables sont localisées au centre des cellules) qui est développée pour des maillages structurés ou non. En combinant le potentiel de ses codes pères, Code_Saturne déploie une abondance de grandeurs géométriques et physiques précalculées qui sont très utiles lors du posttraitement. Par exemple, on dispose de la distance I0J0 entre les projetés orthogonaux des centres I et J de deux cellules voisines sur la normale de leur face commune. On connaît aussi la valeur du flux de masse convectif ρu.n associée à une vitesse u traversant une face de normale unitaire n. Les documentations « théorique » et « utilisateur » sont également téléchargeables (http ://rd.edf.com/accueil-fr/edf-recherche– developpement/logiciels/ code-saturne/code-saturne-doc-108039.html).
|
Table des matières
Introduction
I Combustion turbulente : physiques et modèles
1 Phénomènes physiques fondamentaux
1.1 Cinétique chimique et combustion
1.1.1 Eléments de cinétique
1.1.2 Physique des flammes non prémélangées
1.1.3 Physique des flammes prémélangées
1.1.4 Equations de l’aérothermochimie
1.2 La turbulence
1.3 Cinétique de formation des polluants (NO, CO)
1.3.1 Cinétique de formation du NO
1.3.2 Cinétique de formation du CO
2 Modélisation des physiques couplées
2.1 Problématique de combustion turbulente
2.1.1 Combustion-Turbulence : couplage et problèmes
2.1.2 Approches de modélisation de la combustion turbulente
2.1.3 Problématique de l’approche RANS
2.2 Modèles de fermeture actuels
2.2.1 Fermeture du terme de transport turbulent
2.2.2 Fermeture du terme source chimique moyen
2.3 Introduction d’une cinétique détaillée
2.3.1 Méthodes de réduction
2.3.2 Méthodes de tabulation
II Modélisation de la formation des polluants
3 Modélisation par réseaux de réacteurs
3.1 Principe de modélisation
3.2 Procédure de calcul
3.2.1 Calcul CFD RANS
3.2.2 Découpage en zones
3.2.3 Calcul RN (Reactor Network)
3.3 Analyse des modèles existants
3.3.1 Confrontation des champs CFD / CRN
3.3.2 Isothermicité des réacteurs 0D
3.3.3 Résolution numérique et prédictions de NOx
3.3.4 Lacunes des modèles actuels – Objectifs de la thèse
4 Génération d’un réseau zonal
4.1 Calcul CFD : Code_Saturne
4.1.1 Description de Code_Saturne
4.1.2 Calcul CFD réactif : le modèle LWP
4.2 Découpage en zones statistiquement homogènes
4.2.1 Définition du critère découpage
4.2.2 Découpage dans l’espace chimique
4.2.3 Découpage dans l’espace physique
4.2.4 Représentation des zones à direction privilégiée
4.3 Définition de l’écoulement simplifié
4.3.1 Intégration de l’équation fondamentale
4.3.2 Représentation des flux convectifs
4.3.3 Représentation des flux diffusifs
5 Réseaux de réacteurs chimiques idéaux
5.1 Modèles de réacteurs chimiques
5.1.1 Le modèle de PSR (Perfectly Stirred Reactor)
5.1.2 Le modèle de PFR (Plug Flow Reactor)
5.1.3 Le modèle de PaSR (Partially Stirred Reactor)
5.2 Définition du CRN : Chemical Reactor Network
5.3 Résolution numérique du CRN
5.3.1 Résolution d’un PSR
5.3.2 Résolution du réseau complet (CRN)
6 Réseau de réacteurs turbulents
6.1 Introduction des fluctuations turbulentes
6.1.1 Problématique
6.1.2 Solutions proposées
6.1.3 Approche choisie
6.2 Tabulation de la cinétique pour NO et CO
6.2.1 Méthodes de tabulations existantes
6.2.2 Tabulation de l’équilibre chimique
6.2.3 Tabulation par calculs de Batch
6.2.4 Tabulation par calculs de PSR
6.3 Définition du TRN : Turbulent Reactor Network
6.3.1 Calcul des grandeurs turbulentes intra-réacteur
6.3.2 Définition des variables d’avancement
6.4 Résolution numérique du TRN
6.4.1 Résolution d’un réacteur turbulent
6.4.2 Résolution du réseau complet (TRN)
6.5 Introduction d’une distribution de temps de séjour
6.5.1 Problématique
6.5.2 Solution proposée et approche engagée
6.6 Résolution numérique du TRN à DTS
6.6.1 Résolution Monte-Carlo
6.6.2 Génération de nombres aléatoires
7 Amélioration du modèle CFD
7.1 Représentation des états turbulents
7.1.1 Amélioration de la pdf en c|z
7.1.2 Amélioration de la pdf en z
7.1.3 Pdf complète P (z, c)
7.2 Formation des polluants dans Code_Saturne
8 Etudes par réseaux de réacteurs
8.1 Cas d’étude : Flamme M de Masri (Sandia)
8.1.1 Description du cas d’étude
8.1.2 Champs CFD et découpage
8.1.3 Validation de l’écoulement turbulent (calcul CFD)
8.1.4 Validation de l’écoulement turbulent (réseaux de réacteurs)
8.1.5 Predictions de NO et de CO (réseaux de réacteurs)
8.2 Description du cas d’étude : Tube à flamme industriel
8.2.1 Description du cas d’étude
8.2.2 Champs CFD et découpage
8.2.3 Validation des prédictions de NO et CO (réseaux de réacteurs)
8.2.4 Etude de sensibilité au temps de séjour (TRN)
8.2.5 Etude de sensibilité à l’hygrométrie (CRN)
8.2.6 Etude de sensibilité au combustible (CRN)
8.2.7 Etude de sensibilité à la charge (CRN)
9 Etude des nouveaux modèles CFD
9.1 Description du cas d’étude : Flamme COCORICO
9.2 Validation des nouveaux modèles (Flamme COCORICO)
9.2.1 Comparaison des nouveaux modèles
9.2.2 Confrontation du modèle pdf4pz aux mesures
9.3 Validation des nouveaux modèles (Tube à flamme)
Conclusion
Bibliographie
Télécharger le rapport complet
