Advance numerical modelling of the atomization process : application to an aeronautical injection system - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Advance numerical modelling of the atomization process : application to an aeronautical injection system

Modélisation numérique avancée du processus d'atomisation : application à un système d'injection aéronautique

Résumé

The combustion inside of aircraft gas turbines is highly affected by fuel injection and atomization. Reaching smaller droplets leads into a cleanerand faster combustion since the evaporation takes place earlier, hence, promoting a good mixing. Thus, study the performance of aeronautical atomizer is of high importance tounderstand the physical phenomena that drive spray characteristics. On experimental campaigns, measurements such as the drop size distribution and mean velocity of the droplets can be performed. However, due to the complex geometries of atomizers and limitations of the current experimental techniques, early stage of the atomization process is difficult to characterise. Numerical modelling play a role at this level to enforce our description of such multiphase flows. On the last years, numericalstudies of aeronautical injectors have been carried out to model the flow inside the atomizer with the goal to recover experimental measurements.Nevertheless, other difficulties are found on numerical modelling such as the computational time and resources required. On this work, a methodology applicable for numerical modelling of an aircraft atomizer is proposed. In particular, an airblast prefilming atomizer, representative of gas-turbine injection systems, is studied. Since performing one single simulation able to recover the whole injection system is not possible due to the high amount of computational resources, a workflow has been proposed that considers a succession of complementary simulation. This multi-simulation, multi-scale approach allows eventually to study the essential features of the injection system. The atomizer studied belongs to the in the CHAiRLIFT project within the Clean Sky2 project. Within this project, the aim of this work is to characterize the spray calculating the drop size distribution and the velocity of the droplets that can be used for further combustion characterization . Since the atomization simulation are limited to the early stage of injection, a recently proposedanalysis is applied and developed further to give a more complete definition of the spray. This analysis is based on the surface interfacedensity Sigma and the curvature kappa to predict the joint number distribution of droplets at a given diameter and velocity.In addition, since the CHAIRLIFT injection system require a swirl injector to initiate the internal liquid film and also because swirl injection are commonly used in gas-turbine systems, this work includes also a simplex swirl injector. A injector applied on an academic project dedicated to gas turbine spray flame is studied. The internal geometry of this Danfos swirl injector is unknown. Thus, the internal geometry has been measured by several measurement techniques and thecomputational geometry has been reconstructed. Modelling this kind of injectors is not straightforward due to the large range of scale to be considered, hence, a two simulation coupling has been proposedto overcome the difficulties of this simulation. Results have been validated with comparison with previous experimental campaigns. Finally the new analysis has been also applied to determine the spray size distribution at the early stage of the atomization process and compare to experimental measurement obtained further downstream.
La combustion à l'intérieur des turbines à gaz des avions est fortement affectée par l'injection et l'atomisation. L'obtention de gouttes plus petites permet une combustion plus propre et plus rapide car l'évaporation a lieu plus tôt, favorisant ainsi un bon mélange. De ce fait, l'étude de la performance de l'atomiseur aéronautique est d'une grande importance pour comprendre les phénomènes physiques qui déterminent les caractéristiques du spray. Lors de campagnes expérimentales, des mesures telles que la distribution de la taille des gouttes et la vitesse moyenne de l'atomiseur sont effectuées et la vitesse moyenne des gouttelettes peut être réalisée. Cependant, en raison de la géométrie complexe des atomiseurs et des limites des techniques expérimentales actuelles, le début du processus d'atomisation est difficile à caractériser. La modélisation numérique joue un rôle à ce niveau pour renforcer notre description de ces écoulements multiphasiques. Ces dernières années, des études numériques d'injecteurs aéronautiques ont été menées pour modéliser l'écoulement à l'intérieur de l'atomiseur dans le but de récupérer les mesures expérimentales de l'atomiseur. Cependant, d'autres difficultés sont trouvées sur la modélisation numérique telles que le temps de calcul et les ressources nécessaires. Dans ce travail, une méthodologie applicable à la modélisation numérique d'un atomiseur d'avion est proposée. En particulier, un atomiseur airblast, représentatif des systèmes d'injection des turbines à gaz, est étudié. Étant donné qu'il n'est pas possible de réaliser une seule simulation capable de récupérer l'ensemble du système d'injection, en raison de l'importance des coûts d'injection, il n'est pas possible en raison de la quantité élevée de ressources de calcul, un flux de travail a été proposé qui considère une succession de simulations complémentaires. Cette approche multi-simulation et multi-échelle permet finalement d'étudier les caractéristiques essentielles du système d'injection. L'atomiseur étudié fait partie du projet CHAiRLIFT dans le cadre du projet Clean Sky 2. Dans le cadre de ce projet, l'objectif de ce travail est de caractériser le spray en calculant la distribution de la taille des gouttes et la vélocité de distribution de la taille des gouttes et la vélocité des gouttes qui peuvent être utilisées pour la caractérisation de la combustion. Comme la simulation de l'atomisation est limitée au stade précoce de l'injection, une analyse récemment proposée est appliquée et développée mais avant une analyse récemment proposée est appliquée et développée pour donner une définition plus complète du spray. Cette analyse est basée sur la densité de l'interface de surface Σ et la courbure κ pour prédire la distribution du nombre de joints des gouttelettes à un diamètre et une vitesse donnés. En outre, puisque le système d'injection CHAIRLIFT nécessite un injecteur swirl pour initier le film liquide interne et aussi parce que l'injection tourbillonnaire est couramment utilisée dans les systèmes de turbines à gaz, ce travail inclut également un injecteur swirl. Un injecteur appliqué sur un projet académique dédié à la flamme de pulvérisation des turbines à gaz est étudié. La géométrie interne de cet injecteur tourbillonnaire Danfoss est inconnue. Ainsi, la géométrie interne a été mesurée par plusieurs techniques de mesures et la géométrie de calcul a été calculée, reconstruite. La modélisation de ce type d'injecteurs n'est pas simple, en raison de la large gamme d'échelle à considérer, deux couplages de simulation ont été proposés pour surmonter les difficultés de cette simulation. Les résultats ont été validés par comparaison avec les campagnes expérimentales précédentes. Enfin, la nouvelle analyse a également été appliquée pour déterminer la distribution de la taille du spray au début du processus d'atomisation, au stade précoce du processus d'atomisation et de la comparer aux mesures expérimentales obtenues en aval
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03922399 , version 1 (04-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03922399 , version 1

Citer

Diego Ferrando. Advance numerical modelling of the atomization process : application to an aeronautical injection system. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Normandie Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022NORMR054⟩. ⟨tel-03922399⟩
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