Mise en évidence expérimentale et modélisation des régimes de combustion diphasique présents

296 Pages·2016·37.62 MB·French

by  Maxime Vicentini

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InstitutSupérieurdel'Aéronautiqueetdel'Espace

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MaximeVICENTINI
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vendredi3juin2016
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OlivierSIMONIN(Directeurdethèse)
OlivierROUZAUD(Co-directeurdethèse)
Jury:
JulienREVEILLON,Professeuràl’UniversitédeRouen-Président
MarcBELLENOUE,Professeuràl’ISAE-ENSMAdePoitiers-Rapporteur
BenoîtFIORINA,Professeuràl’EcoleCentraledeParis-Rapporteur
ThomasLEDERLIN,IngénieuràSafranHelicopterEngines
OlivierSIMONIN,Professeuràl’INPdeToulouse-Directeurdethèse
OlivierROUZAUD,Ingénieurderechercheàl’ONERA-Co-directeurdethèse
RenaudLECOURT,Ingénieurderechercheàl’ONERA

Remerciements
Tout d’abord, je tiens à adresser mes sincères remerciements aux membres du jury :
Julien Reveillon, Benoît Fiorina, Marc Bellenoue et Thomas Lederlin pour l’intérêt qu’ils ont
manifesté pour mes travaux de thèse.
Mes remerciements vont également à Olivier Simonin, qui m’a fait partager ses connaissances
pointues en mécanique des fluides, et à la direction avisée et exigeante à laquelle cette thèse doit
beaucoup.
Je remercie chaleureusement mon duo d’encadrants : Olivier Rouzaud pour sa patience, sa dispo-
nibilité et pour les nombreuses heures passées ensemble à réfléchir, à chercher (de la poussière de craie
plein les mains), et Renaud Lecourt pour son pragmatisme, sa ténacité et qui m’a enseigné le beau
métier d’expérimentateur (du kérosène et du cambouis plein les mains). Renaud je te souhaite une
belle retraite.
Je tiens à remercier Pierre Millan et Pierre Gajan pour m’avoir accueilli à l’ONERA au sein du
Département des Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (DMAE), dans l’équipe Multipha-
siques Hétérogènes (MH). Merci à l’ensemble des membres (ou anciens) du Département. Mes pensées
vont en premier à ceux qui m’ont donné un coup de pouce : Gérard Lavergne (l’initiateur du projet),
Simone Pauzin, Grégoire Casalis, Marie-Louise Moretto, Corinne et Valérie, Virginel Bodoc, Gilles
Heid, Francis Bismes, François Chedevergne, Jean-Mathieu Senoner, Frank Simon, Pierre Berthou-
mieu, Francis Micheli, Bertrand Aupoix, Jérome Anthoine et son équipe du laboratoire LP, Nicolas
Bertier, Dédé et Gaëtan de l’atelier de Toulouse.
J’aimerais remercier tout particulièrement Fred Bigot, pour son sourire et sa bienveillance à mon
égard, ainsi que pour son aide ô combien précieuse durant la phase de fabrication du montage expé-
rimental PROMÉTHÉE. Tu as de l’or dans les mains Fred.
J’ai également une pensée pour ceux qui ont partagé mon bureau, dans l’ordre : Guillaume, Henri,
Loïc, et avec qui j’ai souvent discuté Science, Industrie & Innovation. Merci à tous les stagiaires, doc-
torants, post-doctorants et nouveaux permanents pour l’ambiance de travail décontractée et l’esprit
de solidarité qui règne au « deuxième étage ». Pourvu que ces valeurs perdurent... Que diriez-vous
d’une partie de coinche ou d’un BDG (Bord De Garonne) Rémi, Ghislain, Laetitia, Baptiste, Laura,
i
Arthur, Jorge Cesar, Lokman, Julien, Charlotte, Pierre, Violaine, Bertrand, Isabelle, Swann?
Merci beaucoup aux copains toulousains, mes ZinZis : Christophe, Maïwenn, Lucas, Anthony,
Thomas, Solenn, Damien et tutti quanti...
Je remercie aussi mes amis malouins qui sont « loin de yeux mais près du cœur ». Une pensée
toute particulière pour Jérôme dit Barnab, Alexandre dit Valvez, et pour Maxence dit Porc avec qui
j’ai partagé quatre années rocambolesques de colocation, du bonheur 100% pur sucre mon ami.
Morgane, pour toutes ces années, je souhaite t’exprimer ma profonde gratitude. Pourvu que notre
belle histoire continue... Comme disait le poète : «Je sais par cœur toutes tes grâces, Et pour me les
faire oublier, Il faudra que Saturne en fasse, Des tours d’horloge, de sablier ».
Mes derniers mots de remerciement vont à ma famille. Mon grand-père qui m’a transmis sa
passion des moteurs, son goût pour la Liberté. Ma petite sœur que je vois grandir et réussir. Mes
parents pour leur soutien et leur amour inconditionnel. MERCI. C’est à vous que je dédie cette thèse.
ii
« Il est absolument possible qu’au-delà de ce que perçoivent nos sens,
se cachent des mondes insoupçonnés » (Albert Einstein)
iii

Table des matières
Partie I : Contexte et état de l’art 1
1 Introduction générale 3
1.1 Contexte industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Plan du mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Description des turbomachines 7
2.1 Architecture globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Cycle thermodynamique et optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Injection de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Conception des chambres de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Simulation numérique appliquée aux foyers aéronautiques 19
3.1 Intérêts et limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Traitement de la phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Traitement de la phase dispersée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Couplage phase gazeuse / phase dispersée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Études des interactions turbulence/spray/combustion 43
4.1 Interactions spray/turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Interactions combustion/turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Interactions spray/combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Études expérimentales des flammes diphasiques turbulentes . . . . . . . . . . . . . . . 57
Partie II : Mise en place d’un programme d’essais dédié à l’étude des régimes
de combustion diphasique 64
5 Mise en œuvre du montage PROMÉTHÉE 67
5.1 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Conception du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
v
5.3 Étude et choix de la géométrie d’accroche-flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Choix et caractérisation du système d’injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Définition des conditions opératoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 Mise en place des moyens de mesure 89
6.1 Plan d’expériences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2 Présentation des méthodes expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 Mise en place des mesures conditionnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Mise en place des mesures simultanées PLIF-OH/Mie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Partie III : Identification des régimes de combustion par la caractérisation
expérimentale de l’écoulement 110
7 Caractérisation de l’écoulement monophasique 113
7.1 Résultats des mesures PIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8 Caractérisation de l’écoulement diphasique inerte 125
8.1 Analyse spectrale du signal de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.2 Visualisations tomographiques du spray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.3 Résultats des mesures PDI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9 Caractérisation de l’écoulement diphasique réactif 143
9.1 Analyse spectrale du signal de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.2 Visualisations directes de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3 Visualisations par chimiluminescence globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.4 Résultats des mesures PDI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10 Identification des régimes de combustion diphasique 159
10.1 Étude statistique de la distribution spatiale de gouttes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.2 Visualisations de la structure de flamme diphasique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Partie IV : Simulation Euler-Lagrange instationnaire du montage PROMÉ-
THÉE 179
11 Mise en place du calcul 181
11.1 Stratégie adoptée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.2 Caractéristiques du calcul et choix des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
12 Comparaison des simulations avec l’expérience 195
vi
12.1 Écoulement monophasique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
12.2 Écoulement diphasique non-réactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
13 Analyse des résultats de simulation 205
13.1 Interactions gaz/gouttes [non-réactif] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
13.2 Structure de la flamme diphasique [réactif] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Partie V : Conséquence de l’effet de proximité sur l’évaporation et la combus-
tion de gouttes 215
14 Modélisation de la distribution spatiale de gouttes dans un brouillard 217
14.1 Distribution de la plus proche voisine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
14.2 Effets de «clustering» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
14.3 Perspective d’application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Conclusion générale et perspectives 230
Annexes 237
A- Analyses statistiques 239
B- Signaux temporels de pression ∆P 241
C- Mesures PDI [non-réactif] 245
D- Mesures PDI [réactif] 249
E- Distribution spatiale des gouttes [non-réactif] 253
F- Modèle de dispersion turbulente 255
G- Conditions d’entrée des calculs 257
H- Calcul Euler-Lagrange [non-réactif] 259
I- Validation de la cinétique chimique 261
Références bibliographiques 265
Table des matières
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