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Languages: French
Types: Article
Subjects: Allumage, Diphasique, Noyau, LDA, PDA, PIV, Swirl, RANS, Modélisation numérique, 621.042, Ignition, Two-phase flows, Ignition kernel, Numerical Simulation
L'allumage d'un foyer aérobie en conditions de haute altitude (basse pression, basse température d'air et de kérosène) est difficile à réaliser. Le domaine de rallumage en vol est à la fois un critère dimensionnant, imposant le volume de la chambre dès le stade d'avant-projet, et une exigence de certification du moteur. Le développement du domaine de vol des turbomachines aéronautiques repose sur l'amélioration des outils numériques de prévision des plages de stabilité des chambres de combustion. Les principaux enjeux de la modélisation de l'allumage résident dans son fort caractère instationnaire, dans une dynamique d'échelle importante et dans le couplage d'un grand nombre de phénomènes physiques. L'objectif de ce travail est de contribuer à l'amélioration et la validation de la méthodologie de simulation numérique de l'allumage d'un foyer de turbomachine. Des essais sont conduits dans un foyer académique avec de grands accès optiques, alimenté par un injecteur industriel. L'écoulement gazeux, puis diphasique avant et après l'allumage est caractérisé à l'aide de diagnostics optiques et de visualisations à haute cadence, en conditions ambiantes et à basse pression. Ces résultats sont comparés à des simulations numériques RANS conduites avec le code CEDRE de l’ONERA, et aux simulations LES réalisées par le CERFACS. En parallèle, le modèle de noyau diphasique d'allumage, proposé par les travaux précédents pour décrire les premiers instants de la propagation de la flamme, a été amélioré et intégré au code CEDRE. Une étude paramétrique sur une configuration académique a été confrontée avec la littérature afin de proposer une première validation et d'améliorer la compréhension du phénomène. Son intégration dans la simulation numérique permet de sonder un écoulement à la recherche des positions optimales pour l'allumeur comme le montrent les premiers résultats obtenus par Turbomeca. Ce modèle permettra également l'introduction de points chauds réalistes pour l'étude détaillée de la propagation du noyau au reste du foyer. Ces premiers résultats constituent le début d'une base de données de référence pour l'étude de l'allumage dans des conditions réalistes. Spray ignition represents phenomena of great fundamental and practical interest and is an important feature in the design of turbojet combustors. For instance, in-flight re-light at high altitude is a safety requirement for jet engines and cold engine start-up at high-altitude helipads is determining for the versatility of helicopters. Extending the operational range of air breathing turbomachines calls for the development of reliable numerical simulation tools to predict engine re-light range at design stage, in order to reduce the overall design cycle of new prototypes. The wide range of time and length scales and a the large number of physical phenomena involved in spray ignition are the challenges that can be tackled by a combined analysis of experiments, numerical modeling and numerical simulation. This thesis aims at contributing to the methodology used for the numerical prediction of ignition inside turbomachine combustion chambers. For this purpose, experiments are carried out in a model combustion chamber with improved optical access. Gas flow velocity field is characterized by LDA measurements and non-reactive two-phase flow is studied in detail using PDA, under ambient conditions, for the sake of optical access. The velocity field of the burning spray is measured using PIV under both, ambient and low-pressure conditions. Finally, laser tomography and high-speed video give a first insight of the unsteady airflow and the flame structure. Ignition tests are performed under high-altitude conditions, to evaluate the influence of pressure and temperature on minimum global equivalence ratio. This in-depth database is used to validate RANS simulations conducted in parallel using ONERA CFD code CEDRE, as well as LES simulations by CERFACS using ABVP. The numerical model for transient, spherical kernel ignition, proposed in previous work, has been improved and fully implemented in CEDRE. A first parametric study on a basic configuration has been partially validated against the literature, and gives a better understanding of the first stages of flame propagation. This model is then used in combination with CFD codes to estimate the ignition probability of given sparkplug positions. This methodology is being put into practice by Turbomeca on real combustors. The first results show that this can be used to optimize the igniter position and encourage future work to pursue the experimental validation and further investigate the kernel propagation process.
  • No references.
  • No related research data.
  • No similar publications.

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