Influence de la modélisation du mélange air/carburant et de l'étendue du domaine de calcul dans la simulation aux grandes échelles des instabilités de combustion. Application à des foyers aéronautiques

摘要

La réglementation en matière de pollution et notamment des émissions d'oxydes d'azote se durcit. Les exigences de l'industrie à l'égard des performances des moteurs aéronautiques et des turbines à gaz industrielles se font toujours plus strictes. En conséquence, les nouveaux moteurs font face au phénomène des instabilités de combustion et les méthodes utilisées jusqu'à maintenant pour étudier le comportement des chambres de combustion sont soit insuffisantes comme la simulation numérique RANS, soit trop coûteuses et trop lentes comme la réalisation de campagnes d'essais. La simulation aux grandes échelles apparaît dans ce contexte comme un outil providentiel pour aborder les instabilités de combustion. Dans cet ouvrage est démontrée la capacité de la simulation aux grandes échelles à prédire avec précision l'écoulement moyen et le comportement instationnaire d'une chambre de combustion "académique" quand elle est accompagnée d'outils d'analyse acoustique. Ces simulations réalisées avec le code AVBP du CERFACS sont validées par une large campagne de mesures effectuées au DLR-Stuttgart et s'insèrent dans le cadre du programme européen PRECCINSTA. Par ailleurs, cette thèse a aussi donné lieu de s'interroger dans le cas cette fois d'un moteur aéronautique réel sur l'importance de la prise en compte au sein du domaine de calcul du distributeur haute pression sur lequel débouche la chambre de combustion. L'apport majeur de ce travail réside dans les réponses qu'il donne comme dans les questions qu'il soulève concernant les conditions limites qui doivent être celles d'un bon calcul de chambre de combustion. La première partie de cet ouvrage introduit le lecteur aux enjeux écologiques et à la formation des polluants au sein de la combustion dans les turbines à gaz pour pointer du doigt une conséquence directe de la réduction de ces polluants : les instabilités de combustion. La seconde partie détaille le principe du code AVBP utilisé pour réaliser la simulation aux grandes échelles de deux configurations. La première de ces configurations est un cas "académique" de chambre de combustion branchée sur un injecteur et fait l'objet de la troisième partie. La seconde configuration concerne quant à elle un moteur aéronautique réel et constitue la quatrième et dernière partie de cette thèse. ABSTRACT : Pollutants legislation strengthen, especially for NOx emissions. The demand from industries towards aeronautical motor and industrial gas turbine performances are even more strict. As a consequence, new combustors have to deal with combustion instabilities and the methods used until now to study the behaviour of combustion chambers show their lack of precision like RANS or are too expensive and too slow to set up like experimental investigations. Large eddy simulation appears in this field like a fortunate tool to tackle the combustion instability phenomena. In this document is demonstrated the capacity of large eddy simulation to predict in details the mean flow as well as the unsteady behaviour of an "academic" combustion chamber when it is used with an additional acoustic analysis tool. These simulations realized with the AVBP numerical code developed by CERFACS is validated by a large amount of experimental measurements done at DLR-Stuttgart and is part of the European program called PRECCINSTA. Besides, this thesis sheds light on the influence of taking into account or not the high pressure stator at the exit of the combustion chamber into the simulation domain in the case of a real aeronautic combustor. The main point of this work lies in the answers as well as in the questions that it gives concerning the boundary conditions that should be used in a good combustion chamber simulation. The first part of this document introduces the ecologic issue and the pollutants formation into gas turbines to point out a direct consequence of NOx emissions reduction : combustion instabilities. The second part gives details concerning the numerical code AVBP used to compute the large eddy simulation of two configurations. The first of these two configurations consists in an "academic" combustion chamber plugged on burner and is the third part of this document. The second configuration is a real aeronautic combustor and it is the fourth and last part of this thesis.