Modeling of soot formation in gas turbines taking account the morphology of aggregates
Modélisation de la formation des suies dans les turbines à gaz avec prise en compte de la morphologie des agrégats
Résumé
In a context of facts based evidences of climatic disruption boosted by the human activities, some industrial and institutional actors focus on the development of technological solutions to mitigate the impact of mankind on global warming. Reducing man related pollutant emissions is a major lever and is currently thoroughly studied. While alternatives sources of energy start to arise, those struggle to find their way in different industries such as aviation and fossil fuel combustion is expected to remain the major energy source for aviation in the upcoming decades. To diminish its pollution, increasing combustion efficiency and lowering the related pollutant emission are thus interesting short to medium term levers. Amongst all the pollutants emitted by aviation, soot particles are an interesting topic of study since they play a short term role in climate change because of their short lifespan. While the understanding of these particles is quite poor, the topic has been recently popularized and work began on their modeling, boosted by the growing computational capabilities, improvements in combustion and aerosol modeling as well as new experimental methods. In recent years, Large Eddy Simulations (LES) of turbulent sooting flames became more and more common while detailed kinetic modeling of such flames became conjointly computationally affordable. Besides, quantitative measurements of soot population in complex flames gained accuracy which enabled for the comparison of the results obtained both experimentally and numerically, aiming at a better modeling hence better understanding of soot particles properties to help reduce their emission. In this context, this work focused on the detailed modeling of sooting flames based on detailed combustion mechanisms coupled with detailed soot chemistry modelling. A soot solver based on the Discrete Sectional Method (DSM) was implemented in a pre-existing chemical Solver (Cantera) to validate state-of-the-art kinetic mechanisms against experimental data on canonical flames in terms of soot production. Similarly, jet fuel models at varying levels of accuracy are challenged against similar flames. Next, the chosen mechanism is reduced with the selected jet fuel surrogate in an Analytically Reduced Chemistry (ARC) paradigm using the code ARCANE to make it compact enough to be used for the LES of a turbulent aeronautical flame while maintaining its accuracy on soot prediction. This newly developed mechanism is challenged against experimental measurements on an aeronautical-like Rich-Quench-Lean (RQL) burner to asses its accuracy as well as the improvements in comparison with previous methods. The new mechanism proved good accuracy in terms of soot population estimation which confirms the viability of the mechanism selection & reduction methods put in place. Especially, results are in much better agreement with measurements than those obtained with the previously available mechanisms, enabling for a thorough analysis of the levers to reduce soot formation when designing new injection systems or combustion chambers technologies.
Les preuves factuelles que l’activité humaine favorise le dérèglement climatique poussent les acteurs institutionnels et industriels à se concentrer sur la recherche de solutions pour limiter l’impact de l’homme sur le réchauffement climatique. A cet effet, la diminution des émissions polluantes est un levier important qui est profondément étudié. Tandis que de nouvelles sources d’énergies émergent, elles peinent à s’imposer dans de nombreux secteurs tels que l’aéronautique, qui restera dépendante à la combustion des carburants fossiles dans les prochaines décennies. Pour en diminuer l’impact, il est donc primordial d’améliorer l’efficacité de la combustion et d’en réduire les émissions polluantes à moyen terme. Parmi les polluants émis par l’aviation, les suies sont un sujet intéressant de recherche car leur faible durée de vie permet un impact rapide sur le climat. Cependant, leur compréhension scientifique est limitée et le sujet n’a été popularisé que récemment grâce aux avancées en modélisation de la combustion, des aérosols ou encore à l’arrivée de nouvelles techniques de mesures. Dernièrement, la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) de flammes turbulentes suitées est devenue possible tandis que l’augmentation de la puissance de calcul a permis la simulation détaillée de la combustion. Parallèlement, les mesures de suies sont désormais précises et la comparaison avec les simulations permet d’affiner la modélisation afin d’améliorer notre compréhension des propriétés des suies pour en limiter les émissions. Ce travail s’inscrit dans ce contexte, en s’intéressant à la modélisation de flammes suitées basée sur des mécanismes de combustion et des chimies des suies détaillés. Un solveur de suies basé sur la Méthode Sectionnelle Discrète a été intégré dans le solveur chimique Cantera afin de valider les estimations de suies obtenues par différents mécanismes chimiques détaillés couplés avec un modèle de suies détaillé, par rapport à une base de données expérimentale de flammes canoniques. D’une même manière, différents modèles de kérosène ont été testés et validés dans des cas similaires. Le mécanisme a ensuite été réduit avec le modèle de kérosène choisi via une approche de Chimie Analytiquement Réduite grâce au code ARCANE afin de le rendre assez compact pour être utilisé en SGE tout en conservant ses capacités d’estimation des suies. Le mécanisme réduit obtenu a été comparé à des mesures expérimentales menées sur un brûleur Riche-Eteint-Pauvre mimant une chambre de combustion aéronautique ainsi qu’aux mécanismes précédemment disponibles afin de s’assurer de sa précision et d’évaluer les améliorations obtenues par rapport aux méthodes précédentes. Ce nouveau mécanisme permet d’obtenir des résultats proches de ceux obtenus expérimentalement, ce qui confirme la validité de la méthode de sélection et de réduction mise en place. Les résultats étant meilleurs que ceux obtenus précédemment, il est désormais possible d’analyser les mécanismes en jeu dans la production de suies et les leviers pour la réduire lors de la conception de futurs injecteurs ou chambres de combustion.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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