A Contribution to the Development of Numerical Tools for the Supersonic Combustion Simulation
Contribution au développement des outils de simulation numérique de la combustion supersonique
Résumé
This thesis, consisting of four chapters, concerns the improvement and development of models for the numerical simulation of the supersonic combustion. Chapter 1 describes the theoretical base of a computational code dedicated to the simulation of compressible reactive turbulent flows. Chapter 2 presents the improvements introduced in the k-epsilon turbulence model, namely the implementation of the Pope and Sarkar corrections and the validation of the model for compressible flows such as the plane mixing layer and round jet. A stabilizing limitation has been proposed for the Pope correction ensuring an accurate prediction of the jet spreading rate. A postprocessing of data from a direct simulation of a turbulent non-isothermal two-species mixing layer permitted to evaluate the ratio of the turbulent Prandtl and Schmidt numbers. Chapter 3 is devoted to the chemical kinetic models. A new method for the automatic reduction of chemical kinetic mechanisms has been elaborated and then applied to the development of reduced chemical models for the reactive mixtures CH4-H2-air and H2-vitiated air. A new empirical correlation for the autoignition delay time of the CH4-H2-air mixture has been proposed. The reduced mechanisms have been validated for homogeneous conditions and for a diffusive medium. Chapter 4 presents the methodology and results of a numerical study on a supersonic combustion chamber. The methodological aspects of this study are: the validation of numerical models, the choice of the boundary conditions, the mesh adaptation, and the comparison of two- and three-dimensional configurations.
Cette thèse, composée de quatre chapitres, porte sur l'amélioration et le développement de modèles pour la simulation numérique de la combustion supersonique. Le 1er chapitre décrit les bases théoriques d'un code de calcul destiné à la simulation des écoulements compressibles réactifs turbulents. Le 2e chapitre présente les améliorations apportées au modèle de turbulence k-epsilon, notamment l'implantation des corrections de Pope et Sarkar et la validation du modèle pour des écoulements compressibles tels que la couche de mélange plane et le jet rond. Une limitation stabilisatrice a été proposée pour la correction de Pope assurant une prédiction précise de l'épanouissement du jet rond. Un post-traitement de données d'une simulation directe d'une couche de mélange turbulente non isotherme bi-espèces a permis d'évaluer le rapport des nombres de Prandtl et de Schmidt turbulents. Le 3e chapitre est consacré aux modèles cinétiques chimiques. Une nouvelle méthode de réduction automatique de mécanismes cinétiques chimiques a été élaborée puis appliquée au développement de modèles chimiques réduits pour les mélanges réactifs CH4-H2-air et H2-air vicié. Une nouvelle corrélation empirique pour le délai d'autoinflammation du mélange CH4-H2-air a été proposée. Les mécanismes réduits ont été validés dans des conditions homogènes et dans un milieu diffusif. Le 4e chapitre présente la méthodologie et les résultats d'une étude numérique sur une chambre de combustion supersonique. L'aspect méthodologique de cette étude concerne : la validation des modèles numériques, le choix des conditions aux limites, l'adaptation du maillage et la comparaison des configurations bi- et tridimensionnelle.