Yann Moule 2e année DEFA/PRA Bourse ONERA

1. Yann Moule 2e année DEFA/PRA Bourse ONERA Modélisation et Simulation de la Combustion Turbulente Supersonique Application au Superstatoréacteur Directeurs de thèse: Arnaud Mura (Institut P’) Vladimir Sabel’nikov (ONERA) Encadrant ONERA: Vladimir Sabel’nikov

2. 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

3. Plan • Introduction au problème • Contexte • Objectifs scientifiques • Démarche et déroulement de la thèse • Etude bibliographique • Développement d’un modèle ICT • Cas test de validation • Activités en cours • Conclusions et perspectives • Publications et modules de formation suivis

4. Contexte Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • 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

5. Objectifs scientifiques Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • Approche « classique » (équilibre chimique, cinétique Quasi-Laminaire, flammelette …) pour décrire les écoulements réactifs à grande vitesse (i.e à nombre de Reynolds élevé) non adaptée (Da ~ 1) • Développer un modèle d’Interaction Chimie-Turbulence (ICT) • Effets de compressibilité • 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

6. 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

7. Fully micromixed region U1 Air U2 Fuel La couche de mélange réactive (1/2) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • 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

8. La couche de mélange réactive (2/2) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • 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 [1] “Self-Ignition of Hydrogen-Ethylene Mixtures in a Hot Supersonic Air Flow” P. Magre, V. Sabel’nikov (2002)

9. Mise en place d’un modèle ICT (1/4) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • 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:

10. Échange local entre * et ° Maille de calcul ° * Mise en place d’un modèle ICT – Approche LES (2/4) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • 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 * 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 maille En RANS k et l sont respectivement l’énergie cinétique turbulente et l’échelle intégrale de turbulence est le temps caractéristique chimique

11. Mise en place d’un modèle ICT – Approche LES (3/4) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • Modèles avec transport pour la zone * (EPaSR) • Effets convectifs • Effets instationnaires Posant: avec où γ* est ici égal à *introduit précédemment et

12. Mise en place d’un modèle ICT – Approche RANS(4/4) Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • Approche RANS • Modèle de fluctuation pour la dissipation ε présumée • La source chimique est moyennée sur l’ensemble des réalisations avec

13. Définition des cas test Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives Plaque plane F4 (ONERA/JAXA) Flamme supersonique (Cheng et al.) Chambre de combustion (LAPCAT 2 /ONERA) RESTM12 (UQ/Australie)

14. Calcul LES Configuration Cheng et al. Calcul Arrhenius en cours Comparaison du modèle PaSR-LES avec le modèle PaSR-RANS Difficultés pour définir convenablement les Conditions Limites Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

15. Calcul PaSR - RANS Cas du réacteur partiellement mélangé Configuration Cheng et al. [3] Mise au point du modèle PaSR - RANS Influence des différents paramètres du modèle Difficultés dans la résolution du système algébrique Amélioration des résultats avec un maillage raffiné dans la zone * Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives [3] “Finite-rate Chemistry Effects in a Mach 2 Reacting Flow” T. Cheng et al. (1991)

16. CFD CFD Couplage CEDRE / ANGENER Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • Remaillage automatique • Méthode AMA (Anisotropic Mesh Adaptation) • Solveur ANGENER (ANistropic Mesh Adaptation GENERator) (V. Dolejsì – Charles University, Prague) • Couplage CEDRE – ANGENER • Conversion format géometrique CEDRE au format ANGENER Exemple de couplage [4] [4] d’après: “Etude d’une formulation générale pour les flammes non prémélange turbulentes” L.Gomet, A. Mura(2008)

17. 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

18. Conclusions et perspectives État d’avancement: Prise en main du code de calcul ONERA CEDRE Analyse des phénomènes physiques prépondérants Étude comparative de schémas cinétiques H2 / Air Codage de PaSR – EPaSR dans CEDRE Étude PaSR-RANS en cours sur une configurations académique Calcul LES en cours en vue d’un comparaison RANS / LES / Expé Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives

19. Conclusions et perspectives Intro|Biblio | Analyse | En cours | Perspectives • A venir… • Évaluation et validation du modèle PaSR en RANS et LES • Comparaison avec les résultats expérimentaux • Optimisation du modèle PaSR-RANS • Analyse de l’auto-allumage et de la stabilisation de la flamme liftée de Cheng • Mise au point du modèle EPaSR • Calculs sur des géométries plus complexes (cas test de validation) et sur d’autres configurations de foyers aéronautiques (PRF CLEANER)

20. 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

21. Publications et modules de formation • Conférence (à venir): • AIAA Space Plane Conference, April 2011, San Fransisco (CA) • « Numerical Simulation of Self-Ignition in Supersonic Coflowing Jets using th EPaSR Chemistry-Turbulence Interaction Model », Y. Moule, V. Sabel’nikov, A. Mura • Modules de formation: • Combustion in Aero-Engine (VKI) (2010) • Ecole de Combustion (CNRS) (2010)

22. Questions