Modelling And Simulation Of Turbulent Reactive Two-Phase Flows
Modélisation et simulation des écoulements turbulents diphasiques et réactifs
Résumé
Two-phase flow combustion concerns a large number of practical applications. In spatial propulsion, for example, injectors are arranged in a parallel configuration. Oxygen is injected at liquid state whereas the fuel is injected in a gaseous form. The liquid jet is subject to shear-induced atomisation followed by droplet dispersion. The mixing between both fuel and oxidizer creates zones where combustion can be stabilized. The objective of this thesis is to contribute to the understanding of the multi-scale processes involved in such configurations. For this purpose, direct numerical simulations(DNS) databases are generated and analysed. Computations are carried out using the DNS solver Asphodele. This solver is based on a dilatable low-Mach number framework. The contribution of each phenomenon is studied in a planar jet configuration. The influence of the liquid phase is analysed through interactive (two-way) coupling terms between the flow and the dispersed phase. The reactive zones are identified and characterized. Since the proposed configuration is complex, different cases are considered in order to separate the contribution of each phenomenon. In addition to this, an analysis of the auto-ignition process allows the optimisation of a single-step chemistry model. This model follows the ongoing work conducted in the research team. It extends an existing single-step chemical model and serves as basis for an optimised two-step chemistry model, which offers a better response for the almost the same (or even a lesser) cost.
La combustion diphasique concerne un grand nombre d’applications pratiques. Dans le cadre des moteurs-fusées, par exemple, plusieurs injecteurs sont disposés parallèlement les uns aux autres. L’oxygène y est injecté à l’état liquide. Le combustible est quant à lui injecté sous forme gazeuse. Il s’ensuit des étapes (i) d’atomisation sous l’effet du cisaillement avec l’injection co-courant du carburant et (ii) de dispersion des gouttelettes. Le mélange des courants combustible et oxydant permet de former des zones propices à l’établissement d’une flamme. L’objectif de ce travail de thèse est donc de contribuer à l’amélioration de la connaissance des processus impliqués dans de telles configurations, et ce, en s’appuyant sur la génération et l’analyse de base de données de simulations numériques directes DNS (Direct Numerical Simulation). Celles-ci sont conduites avec le code de calcul Asphodèle qui est basé sur l’approximation de faible nombre de Mach. Pour ce faire, une configuration de type jet plan est proposée. L’impact de la phase liquide est analysé en considérant la présence d’une phase liquide dispersée et son éventuelle évaporation. Le couplage interactif entre les deux phases est étudié à partir des termes source. Lorsque les termes sources chimiques sont pris en compte, les zones réactives sont identifiées et caractérisées. Étant donné la complexité de la configuration étudiée,plusieurs cas sont considérés afin de séparer la contribution de chaque phénomène. Par ailleurs, une analyse des processus précurseurs de l’auto-inflammation d’un mélange a permis de calibrer un modèle de chimie réduite optimisée pour restituer ce phénomène. Ce modèle s’inscrit dans la continuité des travaux menés au sein de l’équipe. Ce travail a permis d’étendre le modèle déjà disponible et a servi de base à la construction d’un nouveau modèle à deux étapes conduisant à une meilleure réponse ainsi qu’à de meilleures performances.
Origine : Version validée par le jury (STAR)