Modeling of liquid film and breakup phenomena in Large-Eddy Simulations of aeroengines fueled by airblast atomizers
Modélisation des phénomènes de film liquide et d'atomisation pour la Simulation aux Grandes Échelles de brûleurs aéronautiques alimentés par atomiseurs "airblast"
Résumé
Aeronautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flow field. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objectives of this thesis is to develop phenomenological models describing the liquid phase, in particular the film and its atomization at the injector atomizing lips, in the context of LES. These models are validated or calibrated on the academic experiment performed at Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and applied to a helicopter engine real configuration. In a first step, the thin liquid film is described by a Lagangian approach. Film particles represent an elementary volume of liquid at the wall surface. The equation of motion is given by integrating the Saint-Venant equations over the film thickness. The film dynamics derives from the pressure gradient, the interfacial shear and gravity. In a second step, the film breakup is characterized by the drop size distribution of the spray. The former one is described by a Rosin-Rammler distribution, whose coefficients depend on the gas velocity, the liquid surface tension and the atomizing edge thickness of the injector. The model, labelled PAMELA, is calibrated from the KIT-ITS experiment. The simulation of the KIT-ITS experiment allows to validate the film model, to check PAMELA robustness, and to compare qualitatively the spray angle. The application of these models in a real configuration allows to check PAMELA robustness without constants modification, and to study their impact on the flame structure, in comparison with usual methods of liquid injection.
Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide.