Rapport du Stage Flamme a Contre-Courant Diphasique ...

Rapport du Stage

Flamme a Contre-Courant Diphasique : Etude

Parametrique

ZHU Manqi

Ecole Centrale de Pekin, Beijing, Chine

Stage effectue au CERFACS, Toulouse, France

Du 1er Juillet au 30 Septembre 2010

Rapport de Stage Long Ecole Centrale de Pekin 2010

Table de matieres

Remerciements 2

1 Cadre du Stage 4

1.1 Description rapide du laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Contexte du stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Description des logiciels utilises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Mission et Deroulement 6

3 Travail Effectue 7

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Schema cinetique 2S KERO BFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3 Description du domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.4 Descriptions des cas etudies cas realises . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.5 Resultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5.1 Flamme de diffusion gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5.2 Caracterisation de la flamme diphasique de reference (DB) dans

AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.5.3 Effet de l’etirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.5.4 Effet de la richesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.5 Effet du diametre des gouttes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Difficultes et Enseignements 23

Bibliographie 24

1


Remerciements

Je voudrais exprimer ma grande gratitude a toutes les personnes autour de moi

pendant ces trois mois de stage. C’est vraiment une experience memorable pour moi!

Je souhaite remercier Eleonore Riber, qui est responsable de moi pour ce stage,

toujours sympathique et amicale. Avant mon arrive, elle m’a ecrit des mails et a bien

arrange mon stage, pour que je puisse avoir aucun soucis pour toutes les choses. Elle

m’a rencontree a l’aeroport avec Benedetta pour m’amener en voiture, a enleve tout un

coup mon sentiment d’etre seule. Elle m’a contribue beaucoup de patience pour toutes

mes questions(meme des questions betes). Quand j’ai eu des difficultes dans mon travail,

elle m’a dit que “c’est la recherche!” en souriant, m’a encouragee beaucoup beaucoup.

Je remercie egalement Benedicte Cuenot, qui est chef de l’equipe CFD, qui m’a

dirigee beaucoup pour mon stage. Grace a ses experiences et connaıssances abondantes,

et sa forte conception dans le domaine professionel, elle peut toujours nous proposer des

indications tres importantes pour faire avancer le travail, plutot quand on etait perdu

et ne pouvait pas resoudre des problemes. Elle a des sourires chaleureux, me semble

familiere, et elle a ete tres gentille de me preter son velo, faisant ma vie ici beaucoup

plus pratique.

Mes remerciements vont naturellement a Benedetta Franzelli, un PhD qui s’est

occupee de moi. Elle tres tres sympathique et ne cesse pas de plaisanter, tout le monde

doit devenir content en entendant ses accents et ses rires. Elle est trop amicale bien sur,

elle est toujours prete a m’aider, et se rend toujours utile (Je suis utile! comme elle a

dit elle-meme).

Elles toutes m’aident tellement beaucoup que je ne peux pas arriver a tout citer ici.

Je me sens vraiment honoree de travailler autour d’elles. Je peux me rappeler encore

ces points qu’on a fait sur la petite table a l’entree, je peux encore me ressentir nos

grandes joies quand la simulation a finalement reussi, et il semble que je puisse encore

les entendre dire c’etait bien! Bravo! Genial!... Elles m’ont beaucoup appris pour

utiliser des differents logiciels, m’ont explique soigneusement des choses je n’ai pas bien

compris, cherche des articles pour moi... Elles se soucient aussi de ma vie, de mes loisirs,

de mes etudes dans le futur, parlent avec moi pour savoir mes idees et n’hesitent jamais

a me donner des conseils et des aides. Je dois leur dire des milliards de fois merci!

Je tiens a remercier Thierry Poinsot pour m’avoir offert cette opportunite de tra-

vailler au sein de l’equipe CFD du CERFACS. Il s’agit d’un environnement de travail

2


exceptionnel et d’une ambiance formidable. Il est toujours proche de nous, fait des

reunions chaque lundi matin avec toutes les personnes, a une bonne relation avec tous

les jeunes chercheurs.

Je voudrais adresser mes remerciements a Michele Campassence et Marie Labadens

qui m’ont beaucoup servie en preparant les documents qu’il faut pour mon sejour ici. Je

voudrais aussi remercier Nicole, dont la voix est tres douce, et Sevrine, qui m’a beaucoup

aidee pour trouver des articles dont j’avais besoin. Je salue l’equipe informatique et

administrative pour leur disponibilite. Avec eux, on n’a jamais de soucis.

J’exprime ma plus profonde reconnaissance aux membres de l’equipe CFD: Jorge,

Marta, Matthias, Patricia, qui m’ont cede leurs bureaux pour que je puisse avoir plus

d’aise pendant mon stage, et m’ont pris en grande amitie (bien sur Benedetta aussi).

Je peux me rappeler encore la samedi quand Patricia nous a invites chez elle, et le soir

nous nous sommes promenes dans le centre ville. Quelle ambiance! Ainsi que Antoine,

Geoffroy, Jean-Phillipe, Olivier, Julien, Thomas, Alexandre, Ignacio, Anthony...qui sont

toujours gentils avec moi. Tous font que l’equipe CFD semble une grande famille! Merci

beaucoup! Meme aux gens dont je n’ai pas connu le prenom (excusez moi...) Merci

beaucoup!

J’exprime particulierement ma sincere gratitude a Qing Pan et Thomas Le Bris, qui

ont m’aidee pour trouver un stage au CERFACS l’annee derniere lors de mes premiers

pas dans le monde de la recherche, et c’est definitivement au CERFACS que j’ai ete

interessee par un monde magnifique plein de flammes laminaires, turbulentes...

Ensuite, je souhaite remercier notre ecole, Ecole Centrale de Pekin, pour nous avoir

arrange trois mois pour faire un stage, et notre directeur Jean Dorey, les professeurs Yuan

Tian, Guangyao Gu, qui m’ont donne des commodites pour effectuer ce stage en France.

Enfin, je dois remercier beaucoup mes parents, mes amis et mes camarades pour

leurs appuis et encouragements permanents, je sens qu’ils sont toujours aupres de moi

et ils me donnent beaucoup d’energie et de confiances pour avancer.

Je n’oublierai jamais les instants precieux passes dans l’equipe CFD au CERFACS,

merci a tous!

3


1 Cadre du Stage

Ce stage long en fin de la deuxieme annee des etudes d’ingenieur a ete effectue du

1er juillet au 30 septembre 2010 au sein de la societe CERFACS (Centre de Recherche

et de Formation Avancee en Calcul Scientifique), dans l’equipe CFD (Computational

Fluid Dynamics), a Toulouse, France.

1.1 Description rapide du laboratoire

Le CERFACS

Le Centre Europeen de Recherche et Formation Avancee en Calcul Scientifique est

un organisme de recherche qui developpe et utilise la simulation numerique pour resoudre

des problemes scientifiques et industriels. Ses actionnaires sont le CNES (Centre Na-

tional d’Etudes Spatiales), EADS, EDF (Electricite de France), Meteo-France, lON-

ERA (Office National d’Etudes et Recherches Aerospatiales), la SNECMA et TOTAL.

Le CERFACS emploie environ 115 personnes de 10 nationalites differentes, physiciens,

mathematiciens, analystes numeriques et ingenieurs programmeurs dans des domaines

aussi diverses que varies : algorithmie parallele, climat et environnement, traitement des

donnees, electromagnetisme, aerodynamique, turbomachines et combustion.

L’activite est repartie en six groupes de recherche : PAE (Aviation and Environ-

nement), GlobC (Climate Modelling and Global Change), CFD (Computational Fluid

Dynamics), EMA (Electromagnetism and Acoustics), Algo (Parallel Algorithms), TT

(Technology Transfer).

La CFD team

La CFD (Computational Fluid Dynamics) team cherche a resoudre les problemes

dans les domaines de l’aerodynamique, la turbulence, la combustion, les ecoulements in-

stationnaires, phenomenes couples avec d’autres mecanismes (interaction fluide-structure,

optimisation, diphasique, radiation). Elle est composee d’une soixantaine de personnes,

dont 13 chercheurs seniors, le reste se repartissant entre stagiaires, doctorants et post-

doctorants.

4


1.2 Contexte du stage

Ce stage s’est concentre surtout sur la simulation numerique de la combustion

diphasique. Pour etudier les chambres de combustion, les simulations numeriques de-

viennent importantes parce que les experiences ne sont pas toujours facile a realiser a

cause de leur cout enorme. Quand on ne s’interesse pas aux produits intermediaires de

la combustion, des schemas cinetiques reduits (une ou deux etapes) sont souvent utilises.

L’objectif de ce stage est d’etudier le comportement de ces schemas cinetiques

reduits dans des simulations reactives diphasique. Une configuration simple de flamme

a contre-courant diphasique a ete choisie pour faire une etude parametrique autour de

trois parametres (etirement, richesse, diametre des gouttes).

1.3 Description des logiciels utilises

COSILAB est un logiciel pour resoudre des cas tests zero-, mono- et bi-dimensionels

en utilisant des cinetiques chimiques simplifies et detailles. Il est utilise dans le monde

entier, dans la recherche et l’industrie, en particulier dans l’automobile, la combustion

et le traitement chimique.

AVBP est un code parallele de CFD qui resout les equations Navier-Stokes tri-dimen-

sionelles dans leur formulation compressible. Ce code travaille sur des maillages non-

structures et hybrides. Le projet AVBP a debute en 1993 dans le but de construire

un logiciel moderne de Computational Fluid Dynamics (CFD) d’une grande flexibilite,

efficacite et modularite.

CFD-GEOM (CFD-GEOM Interactive Geometric Modeling and Grid Generation

Software) est un logiciel qui permet de creer la geometrie des domaines de calcul.

CENTAUR permet la generation d’une maillage non structure tetraedrique en util-

isant des elements de tailles differentes selon la geometrie et les besoins de la simulation.

Il peut etre utilise dans des geometries complexes.

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2 Mission et Deroulement

Selon les differents caracteristiques des flammes, on peut les classer comme lami-

naires ou turbulents, de premelange ou a contre-courant, gazeuses ou diphasiques, etc.

Pendant ce stage, des flammes laminaires a contre-courant diphasiques ont ete

simulees avec le mecanisme cinetique reduit 2S KERO BFER pour differentes valeurs

de l’etirement, de la richesse et du diametre des gouttes afin de mieux comprendre

l’impact des ces grandeurs. Les resultats obtenus ont ete compares a d’autres resultats

de simulations existants dans la litterature.

Le stage s’est deroule en 4 parties:

• Une etude bibliographique sur la combustion diphasique : tout d’abord, le modele

d’evaporation des gouttes qui produit de la vapeur de carburant pour participer a la

combusion, les phenomenes lies aux flammes diphasiques et les flammes laminaires

gazeuses premelangees et a contre-courant ont ete etudies.

Ensuite, une recherche bibliographique a propos des experiences ou calculs des

flammes laminaires/a contre-courant diphasiques pour des carburants differents

comme le kerosene, le n-heptane et le n-decane a ete indispensable.

• Des flammes 1D premelangees gazeuses ont ete realisees avec COSILAB, en util-

isant le mecanisme reduit 2S KERO BFER et le mecanisme detaille KERO LUCHE,

pour mieux comprendre l’impact d’un schema reduit et pour se familiariser avec

le logiciel.

• Des simulations de flamme 1D a contre-courant diphasiques ont ete realisees dans

COSILAB. Pendant cette etape, un ficher C++ qui decrit les proprietes de trans-

port pour le schema 2S KERO BFER a ete ecrit pour utiliser dans COSILAB les

proprietes de transport simplifiees d’AVBP.

• Une geometrie 2D qui reproduit le cas presente dans la litteraire a ete creee avec

CFD-GEOM et maillee grace a CENTAUR. Differentes simulations de flamme a

contre-courant diphasiques ont finalement ete effectuees avec AVBP et analysees.

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3 Travail Effectue

3.1 Introduction

La combustion diphasique, autrement dit, la combustion d’un fuel injecte sous

la forme d’un spray liquide, est utilisee dans un certain nombre d’applications indus-

trielles, telles que la conversion de l’energie et des dispositifs de propulsion. Dans ce type

d’application, il est necessaires de prevoir avec precision les phenomenes lies a la com-

bustion. La combusion diphasique comprend plusieurs phenomenes compliques comme

la dispersion des gouttes de carburant, leurs evaporation et les reactions chimiques. La

physique qui controle ces processus n’a pas encore ete bien expliquee.

Des simulations numeriques differentes pour des flammes laminaires a contre-courant

diphasiques de n-Decane (C10H22) sont presentees dans la litterature [2, 3, 4, 5]. Les

simulations ont ete realisees dans les conditions des experiences de Hwang et al.[8].

Pour faire la comparaison avec les resultats donnes dans l’article de Watanabe et

al.[2], les memes simulations ont ete realisees avec les outils et les connaissances dont on

dispose au CERFACS. Il existe cependant des differences entre nos simulations et celles

dans [2] :

(1) Mecanisme cinetique : dans [2], le schema a une etape de Wesbrook & Dryer[6, 7]

est utilise. Au contraire, pendant ce stage, les simulations ont ete calculees avec

le schema a deux etapes 2S KERO BFER[1] develope au CERFACS.

(2) Les proprietes de transport : dans [2], aucun detail sur les proprietes transports

n’est donne mais il semble que des proprietes detaillees ont ete utilisees. Au

contraire, des proprietes de transport simplifiees ont ete utilisees dans AVBP en

imposant un nombre de Lewis Le = 1 pour chaque espece.

(3) Methode de description des gouttes : la methode Langrangienne1 est employee

dans [2]. Au contraire, la methode Euler-Euler2 est utilisee pour les simulations

dans AVBP.

(4) Caracterisation du spray injecte : dans [2], le spray injecte est polydisperse avec

une distribution de taille egale a la mesure PDA ou par la fonction de distribution

Nukiyama-Tanazawa[4]; dans AVBP, on considere un spray monodisperse.

1Pour la methode Langrangien, chaque goutte est considere separement.2Pour la methode Euler-Euler, des gouttes sont calculees comme continue.

7


(5) Le modele d’evaporation : les deux modeles (dans [2] et dans AVBP) ne sont pas

exactement les memes mais les resultats sont proche.

De plus, une comparaison des resultats d’AVBP et de COSILAB obtenus pour une

flamme a contre-courant gazeuse est presentee dans ce rapport.

3.2 Schema cinetique 2S KERO BFER

Le schema global de Wesbrook & Dryer[6, 7] considere 5 especes (C10H22, CO,

CO2, N2, O2) et une seule reaction globale :

C10H22 +31

2O2 ⇒ 10CO2 + 11H2O (1)

(2)

Le schema simplifie 2S KERO BFER prend en compte 6 especes (KERO, CO,

CO2, H2O, O2, N2) et deux reactions :

KERO + 10O2 ⇒ 10CO + 10H2O (3)

CO + 0.5O2 ⇐⇒ CO2 (4)

La composition de l’espece KERO est detaillee dans Table 1 [9].

En utilisant un mecanisme 2-etapes on ameliore les resultats du mecanisme en

termes de vitesse de flamme laminaire et temperature adiabatique pour des melange

riches.

Composition Fraction

massique (-)

Masse molaire

(g/mol)

Fraction

molaire (-)

Lineaire C10H22 0.767 142.284 0.7396

Aromatique C9H12 0.132 120.1916 0.1507

Naphithenique C9H18 0.101 126.241 0.1097

KERO C10H20 1.000 137.195 1.000

Table 1: Composition de l’espece KERO

3.3 Description du domaine de calcul

Le domaine de calcul est montre dans Fig.1. Comme indique, Lp = 0.02 m est

la distance entre les deux entrees. L’origine se situe au milieu de l’axe de symetrie d,

8


x et y varient respectivement de 0 a 0.02 m et de −0.01 m a 0.01 m. L’entree haute

(0 ≤ x ≤ 0.01 m) et l’entree basse(0 ≤ x ≤ 0.01 m) sont appelees a et b respectivement.

c est la sortie, d est un axe de symetrie. e et f sont des parois adiabatiques, qui suivent

la forme des lignes de courant pour eviter la formation de zones de recirculation dans

les coins. La sortie c est situee entre −0.005 m ≤ y ≤ 0.005 m.

L’air a temperature ambient et pression atmospherique (T = 300 K, P = 0.1013 MPa,

YN2 = 0.767, YO2 = 0.233) est injecte avec une vitesse constante par les deux entrees.

Les gouttes de fuel ne sont injectees que par l’entree a, entre 0 ≤ x ≤ 0.003 m(0.15Lp),

en equilibre avec la vitesse du gaz.

Fig. 1: Domaine de calcul

L’epaisseur d’une flamme premelangee a la stoechiometrie (ou les reactions chim-

iques ont lieu dans la flamme de diffusion) est egale a environ 5× 10−4 m. La geometrie

est en consequence maillee homogenement avec des cellules triangulaires d’une taille de

8× 10−5 m afin d’avoir assez de points dans le front de flamme.

3.4 Descriptions des cas etudies cas realises

Les cas simules sont montres dans Table 2. Un premier calcul gazeux a ete effectue

pour comparer les differents mecanismes (Luche, 2S KERO BFER, Wesbrook et Dryer

utilise dans [2]). Les calculs diphasiques sont divises en 3 groupes pour faire un etude

parametrique en variant 3 parametres : l’etirement, la richesse et le diametre des gouttes.

9


Le cas de reference nomme DB est caracterise par un etirement a = 40 s−1, une

richesse liquide φl = 1.26, un diametre de goutte d = 106.7 µm. L’etirement est defini

comme le rapport entre la vitesse initial a l’entree u0 et la distance Lp entre les deux

entrees :

a ≡ 2u0/Lp (5)

La richesse est definie comme la rapport de la masse totale des gouttes et celle de l’air

injecte par l’entree a.

La richesse liquide s’exprime comme la formule suivantes[11] :

Φl = sYF,lYO

= sρlαl

ρYO(6)

ou s est la coefficient stœchiometrique pour la reaction d’oxydation de kerosene, YF,l est

la fraction massique de carburant liquide, Yo est la fraction massique de oxygene, ρl est

la densite massique de liquide et ρ est la densite de gaz (approximativement egale a 1).

Dans AVBP, pour la phase liquide, on resout une equation pour la fraction volu-

mique de gouttes αl et le nombre de gouttes par unite de volume nd :

αl = ndπd3

6(7)

ou d est le diametre des gouttes.

On peut recalculer nd a l’entree a en fonction de la richesse liquide d’apres les

relations (6) et (7). L’expression de la densite de nombre est alors :

nd =6αl

πd3=

6φlρYOπsρld3

(8)

Les valeurs correspondant aux differents cas sont aussi donnees dans Table 2.

Pour chaque cas, environ 1400000 iterations de simulation numerique doivent etre

realisees pour atteindre la stabilite des flammes, le calcul prend environ 10 heures en

utilisant 8 nœuds (32 processeurs en totale) sur la machine parallele IBM JS21 egee.

3.5 Resultats et discussion

3.5.1 Flamme de diffusion gazeuse

D’abord, des simulations d’une flamme de diffusion gazeuse (a = 40 s−1 et la

temperature du gaz frais T0 = 300 K) sont realisees a la fois dans COSILAB et dans

10


Cas Etirement a

(s−1)

Richesse φl

(-)

Diametre d

(µm)

Densite de

nombre de

gouttes nd

(m−3)

Flamme de

diffusion

gazeuse

DG 40 - - -

Cas de

reference

diphasique

DB 40 1.26 106.7 1.72× 108

Effet de DA1 20 1.26 106.7 1.72× 108

l’etirement DA2 (DB) 40

DA3 60

DA4 80

Effet de DE1 40 0.42 106.7 5.75× 107

la richesse DE2 0.84 1.15× 108

DE3 (DB) 1.26 1.72× 108

DE4 5.00 6.84× 108

Effet du DS1 40 1.26 30 7.66× 109

diametre DS2 74.2 5.13× 108

DS3 (DB) 106.7 1.72× 108

DS4 137.6 8.04× 107

Table 2: Caracteristiques des cas simules

AVBP, pour donner une image generale des differentes mecanismes. Fig.2 montre la

temperature en fonction de la distance adimensionnee x′ (pour avoir la meme echelle

que dans [2] pour l’axe “Distance”, une transformation x′ = (0.01−y)/Lp est faite pour

representer les resultats ).

Premierement, on veut comparer les resultats obtenus avec AVBP et COSILAB

en utilisant le mecanisme 2S KERO BFER. Les resultats pour la temperature dans

COSILAB (ligne bleue pointillee) et dans AVBP (ligne bleue) sont coherents pour la

largeur de la flamme et la temperature maximale, mais il y a un decalage de la position

de la flamme. Ce decalage peut etre cause par la difference entre les vitesses d’entree des

deux codes. Pour l’etirement a = 40 s−1, la vitesse d’entree u0 doit etre egale a 0.4 m/s

d’apres l’equation(5). D’un cote, cette vitesse est imposee directement comme condition

11


Fig. 2: Profil de temperature pour une flamme de diffusion gazeuse : Comparaison entre 3

mecanismes et 2 codes

aux limites dans AVBP. De l’autre cote, dans COSILAB, on fixe la valeur de l’etirement

a = 40 s−1, qui entraine une vitesse a l’entree pas exactement egale a 0.4 m/s d’apres

la simulation.

Deuxiemement, on veut evaluer l’impact des differents mecanismes cinetiques. En

comparant avec les resultats donnes par le mecanisme cinetique detaille KERO LUCHE

(ligne noire pointillee), compose de 122 especes et 991 reactions, on peut observer que

Tmax est bien predicte dans Watanabe et al.[2] (ligne rouge pointillee), mais elle est

surestimee par KERO BFER d’environ 300 K (ligne bleu pointillee). Il faut quand meme

remarquer qu’afin de stabiliser la flamme de WATANABE, les proprietes de transport

detaillees ont ete necessaires. En utilisant les proprietes indiques dans [6, 7], la flamme

s’eteint.

3.5.2 Caracterisation de la flamme diphasique de reference (DB) dans AVBP

Fig.3 montre la temperature et la fraction du melange du cas de reference DB

dans Tab.2. On peut constater une premiere region d’evaporation (caracterisee par une

augmentation de la fraction de melange Z), suivie par une region de flamme de diffusion

caracterisee par le premier pic de temperature. Dans la region entre les deux pics de

temperature, des gouttes s’evaporent et produisent de la vapeur. Dans cette region

l’oxgene est absent(parce qu’il a ete completement brule dans la flamme de diffusion

12


Fig. 3: Cas de reference diphasique DB : (a)(figure haute) Temperature et (b) (figure basse)

Fraction de melange en fonction de la distance de l’entree haute

avant) et le kerosene ne peut donc pas reagir. Par consequence, on obtient une region

riche de carburant (voir Fig.3(b)) avec une baisse de temperature (voir Fig.3(a)) a cause

du refroidissement du a l’evaporation. Ensuite, la vapeur de kerosene rencontre l’air qui

vient de l’entree inferieure (b) et la deuxieme zone de flamme de diffusion, caracterisee

par le deuxieme pic de temperature apparıt.

3.5.3 Effet de l’etirement

Les comparaisons sont faites en prenant quatre valeurs differents de l’etirement a =

20, 40, 60, et 80 s−1 (cas DA1, DA2=DB, DA3 et DA4, respectivement, marques dans

Table 2) pour etudier l’effet de l’etirement. Dans tout les cas, la richesse liquide est

φl = 1.26, et le diametre des gouttes est d = 106.7 µm.

Fig.4(a) et (b) montrent respectivement la temperature obtenue dans [2] et dans

AVBP (les courbes de la temperature sont tracees selon l’axe de symetrie du domaine

de simulation). Une bonne correspondance de la region de haute temperature peut etre

constatee entre ces deux figures. De plus, dans les deux cas, l’allumage retarde et la

region de haut temperature devient plus etroite en augmentant l’etirement,

D’apres [2], en diphasique la temperature maximale Tmax est beaucoup plus elevee

que dans le cas gazeux (voir Fig.2). La dissipation scalaire etant plus petite dans le cas

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Fig. 4: Effet de l’etirement : temperature du gaz en fonction de la distance de l’entree haute

donnee dans WATANABE(a) et obtenue dans AVBP(b)

diphasique, la temperature a la tendance a augmenter selon[?]. Ce comportement n’est

pas retrouve dans AVBP, ou la temperature maximale Tmax reste la meme que dans le

cas gazeux.

On peut aussi constater que les pics de temperature sont plus evidents dans AVBP,

et la temperature au milieu baisse avec l’augmentation de a. Une cause possible semble

etre la difference de description de l’evaporation entre AVBP et WATANABE, mais

surtout de l’injection de gouttes de tailles differentes dans WATANABE. Cette difference

peut creer de fortes difference pour le champ de fuels en forme vapeur.

Dans Fig.5a, les champs 2D de temperature sont reproduits dans WATANABE et

AVBP. En plus, dans Fig.5(a.1), des trajectoire de goutte sont representees, des gouttes

etant coloriees par leur diametre. Dans Fig.5(a.2), comme les gouttes sont considerees

comme un champ continu dans le modele Euler-Euler, des contours d’iso-diametre sont

traces pour localiser les gouttes. Dans WATANABE, on constate une augmentation du

nombre des gouttes qui traversent la flamme lorsque l’etirement a augmente, parce que

pour un etirement eleve, l’evaporation des gouttes diminue avec le temps de residence

des gouttes dans la region de haute temperature. Mais dans AVBP, aucune goutte

ne traverse la flamme, elles s’evaporent toutes meme pour un etirement plus eleve.

Ces comportements contraires dans WATANABE[2] et dans AVBP peuvent aussi etre

demontres en comparant Fig.5(b.1) ou la zone de fraction du melange grande se reduit

lorsque l’etirement augmente et Fig.5(b.2) ou la zone de grande fraction du melange

devient plus large.

Fig.5(c.1) et Fig.5(c.2) montrent le champ de l’index de flamme FI defini comme

14


Fig. 5: Effet de l’etirement sur la flamme: (a) temperature gazeuse T et localisation des

gouttes; (b) fraction de melange Z; (c) index de flamme FI. Comparaisons entre les calculs

de WATANABE[2] (indice 1) et AVBP (indice 2)

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Fig. 6: Effet de l’etirement : evalution de la temperature et de la fraction massique du fuel en

fonction de la fraction du melange Z dans WATANABE[2](a) et dans AVBP(b)

suivant :

FI = δYfuel · δYO2 (9)

FI est negative dans le cas d’evaporation rapide et pour des flammes de diffusion,

mais il est positive pour des flammes premelangees. Lorsque l’etirement augmente, ces

trois regions (evaporation, flamme de diffusion et flamme premelangee) se deplace vers

l’entree basse, le flamme de diffusion devient plus etroite. Une nouvelle region de flamme

premelangee se cree apres la 2eme flamme de diffusion parce que la vapeur de kerosene,

venant de l’evaporation des gouttes qui traversent la flamme, commence a bruler avec

l’air qui est injecte par l’entree basse.

La temperature T et la fraction massique de kerosene en fonction de la fraction de

melange Z sont aussi donnees, voir Fig.6. Fig.6(a) correspond aux resultats presentes

dans [2]. Selon WATANABE, on constate que T et YC10H22 presentent un hysteresis

en fonction de la fraction de melange Z, qui se reduit lorsque l’etirement augmente,

le decalage entre la region de l’ecoulement amont et la region de l’ecoulement aval est

cause par un desequilibrage entre le taux de production de Z et son transport. Ce

16


phenomene n’est pas si evident dans AVBP (voir Fig.6(b)), surtout par la temperature.

Cette difference doit etre comprise dans le futur.

3.5.4 Effet de la richesse

Fig. 7: Effet de la richesse : temperature du gaz en fonction de la distance de l’entree haute

donnee dans WATANABE(a) et obtenue dans AVBP(b))

Les simulations sont faites pour quatre valeurs de la richesse φl = 0.42, 0.84, 1.26

et 5.00 (cas DE1, DE2, DE3=DB et DE4, respectivement, marques dans la Table 2).

Pour tous les cas ici, l’etirement est fixe a = 40 s−1 et le diametre des gouttes est

d = 106.7 µm.

Fig.7 (a) et (b) montrent les profils de temperature gazeuse en fonction de la dis-

tance pour les 4 richesses dans [2] et dans AVBP. Une bonne correspondance de la region

de haute temperature peut etre constatee. Dans les deux cas, en augmentant la richesse,

le kerosene reagit plus tot avec l’air et la largeur de haute temperature augmente. La

principale difference entre les deux calculs, c’est la temperature maximale atteinte : dans

AVBP, la temperature maximale est toujours egale au cas gazeux et les pics sont plus

evidents que dans [2].

Dans Fig.7 (a), Tmax augmente d’abord puis diminue avec la richesse. Cette diminu-

tion de Tmax est expliquee par l’effet de refroidissement associe a la combustion de

groupe des gouttes[12, 13] par WATANABE. Mais cette influence n’a pas ete constatee

dans AVBP pour Tmax. En revanche, la temperature aux milieu depend fortement

de la richesse. De plus, pour le cas DE1, Tmax d’apres WATANABE[2] est beaucoup

moins elevee que dans AVBP, mais on peut voir dans la Fig.8(a.1)(en comparant avec

17


Fig. 8: Effet de la richesse sur la flamme: (a) temperature gazeuse T et localisation des

gouttes; (b) fraction de melange Z; (c) index de flamme FI. Comparaisons entre les calculs


18


Fig.8(a.2)) que la region de temperature elevee se trouve plus loin de l’axe de symetrie, et

que en tracant les courbes suivant l’axe de symetrie, on ne rencontre pas la temperature

la plus haute.

Fig.8(c.1) et (c.2) montrent les champs de l’index de flamme. Dans le cas DE1, la

flamme est constituee seulement d’une flamme premelangee, parce que la richesse liquide

est petite et tout le kerosene est brule par la flamme de premelange initiale. Lorsque

φl augmente, le kerosene n’est plus completement brule par la flamme de premelange et

une flamme de diffusion apparaıt, grandit, et finalement se separe en deux parties dans

le cas DE4. Ce comportement semble dependre de l’augmentation de la quantite des

gouttes qui evaporent a l’interieur de la flamme de diffusion.

Fig. 9: Effet de la richesse : evalution de la temperature et de la fraction massique du fuel en

fonction de la fraction du melange Z dans WATANABE[2](a) et dans AVBP(b)

La temperature T et la fraction massique de kerosene en fonction de la fraction

de melange Z sont donnees en Fig.9. La fraction de melange Z varie toujours dans un

domaine plus large dans les simulation AVBP, compare a [2] (Fig.9b). Comme attendu,

la valeur maximale de YC10H22 devient plus grand quand φl augmente. (Cela depend de

la quantite de gouttes evaporees dans la region de diffusion.)

19


Dans Fig.9(b), on peut observer que Tmax se trouve toujours a la stœchiometrique

dans les calculs AVBP. En revanche, Fig.9(a) ne montre pas la meme chose pour la

richesse la plus haute φl = 5.00 dans [2]

3.5.5 Effet du diametre des gouttes

Fig. 10: Effet du diametre des gouttes : temperature du gaz en fonction de la distance de

l’entree haute donnee dans WATANABE(a) et obtenue dans AVBP(b)

Pour etudier l’effet de diametre initial de goutte, les calculs sont faits en prenant

d = 30.0, 74.2, 106.7 et 137.6 µm (cas DS13, DS2, DS3=DB et DS4, respectivement,

marques dans Table 2). Pour tous cas ici, l’etirement est a = 40 s−1, et la richesse de

liquide est φl = 1.26.

Fig.10(a) et (b) montrent respectivement la temperature pour differents diametres

dans WATANABE et dans AVBP. Une bonne correspondance de la region de haute

temperature est encore trouvee. En augmentant le diametre initial des gouttes, la flamme

se stabilise plus loin de l’entree a, car le taux de l’evaporation est plus grand pour des

gouttes plus petites. Pour la meme raison, Tmax diminue. Les differences de Tmax et

des pics existent toujours entre AVBP et [2].

Fig.11(c.1) et (c.2) montrent le champ d’index de flamme pour differents diametres

initiaux de gouttes. Comme le taux d’evaporation est plus petit pour des gouttes

grandes, la flamme dominante passe de premelangee a diffusion.

Fig.12 montre la comparaison de la temperature gazeuse et de la fraction massique

3La simulation de cas DS1 n’est pas arrive a convergence meme si differents maillages ont ete testes.

De ce rapport, on prend encore des resultats de ce cas, pour completer les comparaisons.

20


Fig. 11: Effet du diametre des gouttes sur la flamme: (a) temperature gazeuse T et localisation

des gouttes; (b) fraction de melange Z; (c) index de flamme FI. Comparaisons entre les calculs


21


de carburant gazeux en fonction de la fraction de melange Z. Cette fois ci, AVBP semble

etre capable de mettre en evidence des hysteresis. Dans les deux codes, l’hysteresis

augmente avec le diametre initial des gouttes.

Fig. 12: Effet du diametre des gouttes : evalution de la temperature et de la fraction massique

du fuel en fonction de la fraction du melange Z dans WATANABE[2](a) et dans AVBP(b)

3.6 Conclusion

Differences simulations de flamme a contre-courant ont ete realisees en compte pour

faire une etude parametrique, en comparant les resultats donnes par l’article [2] avec les

resultats obtenus avec le schema 2S KERO BFER dans AVBP.

• 2S KERO BFER donne des comportements coherents avec les resultats de [2] en

fonction de l’etirement, de la richesse et du diametre des gouttes.

• Les differences entre AVBP et l’article [2] peuvent etre causees par le mecanisme

cinetique, le modele d’evaporation, l’injection polydisperse et les proprietes de

transport.

22


Pour comprendre les differences entre AVBP et [2], plusieurs test sont a effectuer :

• simulations AVBP avec le mecanisme a une etape utilise dans [2];

• simulations polydisperses AVBP.

4 Difficultes et Enseignements

“Bienvenue dans monde de la recherche!”. Voila ce que m’ont dit mes directrices

quand mon travail a rencontre des difficultes. On rencontre toujours des problemes dans

la recherche, mais quand on arrive a les resoudre ou quand on trouve un moyen pour les

contourner, on est content de voir l’avancement de la recherche.

La difficulte principale de mon stage se trouve avec COSILAB. On n’a pas reussi

a simuler les flammes a contre-courant diphasiques de [2] avec 2S KERO BFER dans

COSILAB, a cause de bugs dans le logiciel. Beaucoup de tests ont ete faits pendant le

premier mois mais les calculs n’ont pas abouti. On a contacte les gens de COSILAB

sans succes et on a finalement decide d’utiliser AVBP. A la fin de mon stage, on a recu

la reponce de COSILAB, et je leur a envoye une liste des bogues pour leur donner plus

d’informations et resoudre les problemes.

Pour utiliser AVBP, il y a beaucoup de choses nouvelles a apprendre. Grace a l’aide

de mes directrices, qui m’ont appris AVBP et m’ont beaucoup dirigee, tout s’est bien

passe. Dans cette periode, la difficulte a ete rencontre avec le maillage de la geometrie.

Pour eviter les problemes comme la flamme touchant les parois, la formation de zones de

recirculation, etc, plusieurs geometries et maillages ont ete testes. D’autres problemes

ont apparus de temps en temps, mais j’ai trouve d’autres nouvelles solutions. Il a perdu

un mois pour apprendre et faire marcher les simulations pour la premiere fois. Et apres,

le travail s’est deroule plus favorablement.

Les enseignements obtenus sont de comprendre mieux le contexte avant de se mettre

a travailer, de verifier le travail deja fait de temps en temps, de ne pas hesiter a poser des

questions... Ils sont vraiment nombreux et me donnent des experiences tres importantes.

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