Multiscale simulation of the atomization of a liquid jet in oscillating gaseous crossflow
Simulation multi-échelle de l'atomisation d'un jet liquide sous l'effet d'un écoulement gazeux transverse en présence d'une perturbation acoustique
Résumé
The reduction of polluting emissions is currently a major issue in the aeronautics industry. Among the solutions developed by the engine manufacturers, lean combustion appears as an effective technology to reduce the impact of combustion on the environment. However, this type of technology enhances the onset of combustion instabilities. These instabilities, resulting from a thermo-acoustic coupling, can lead to irreversible damage of the combustor structure. Among the many mechanisms leading to the onset of these instabilities, experimental studies previously conducted at ONERA have highlighted the importance of atomization in a multipoint injector to this phenomenon. In order to characterize this interaction, this thesis focuses on the simulation of a liquid jet in gaseous crossflow, which is a simplified configuration of an injection point of a multipoint injector.
The aim of this thesis is to implement the multi-scale methodology to reproduce the coupling phenomena between the atomization of the liquid jet in the presence of a crossflow and an imposed acoustic perturbation, representative of the effect of combustion instabilities. The multi-scale simulations are carried out using the CEDRE platform, and result from a coupling between the CHARME (multi-fluid), SPARTE (dispersed phase) and FILM (surface approach) solvers. This type of approach can ultimately be used for the unsteady simulation of a combustion system, and will determine the characteristic convection times of the liquid fuel that can affect the phenomena of evaporation and combustion, and therefore the appearance of combustion instabilities. In order to validate this approach, the results obtained from the simulations are systematically compared with the experimental observations obtained within the framework of the SIGMA project.
First, a simulation of the liquid jet in gaseous crossflow is performed. This simulation enabled us to validate the multi-scale approach: to this end, the large scales of the jet, as well as the atomization mechanisms reproduced by the simulations, are analyzed. Then, the influence of an acoustic perturbation on the atomization of the liquid jet is studied. The unsteady behavior of the jet and the spray resulting from the atomization are compared with the experimental results using time averages and phase averages.
La réduction des émissions polluantes est actuellement un enjeu majeur au sein du secteur aéronautique. Parmi les solutions développées par les motoristes, la combustion en régime pauvre apparaît comme une technologie efficace pour réduire l'impact de la combustion sur l'environnement. Or, ce type de technologie favorise l'apparition d'instabilités de combustion. Ces instabilités, issues d'un couplage thermo-acoustique, peuvent conduire à des dommages irréversibles pour la structure des chambres de combustion. Parmi les nombreux mécanismes menant à l'apparition de ces instabilités, des études expérimentales précédemment menées à l'ONERA ont mis en évidence l’importance de l’atomisation au sein d'un injecteur multipoint sur ce phénomène. Afin de caractériser cette interaction, cette thèse se concentre sur la simulation d'un jet liquide en présence d'un écoulement gazeux transverse, configuration simplifiée d'un point d'injection d'un injecteur multipoint.
L’objectif de cette thèse est de mettre en place la méthodologie multi-échelle pour reproduire les phénomènes de couplage entre l’atomisation du jet liquide en présence d’un écoulement gazeux transverse et d’une perturbation acoustique imposée, représentative de l’effet d’une instabilité de combustion. Les simulations de type multi-échelle sont réalisées à l'aide de la plateforme CEDRE, et résultent d'un couplage entre les solveurs CHARME (multi-fluide), SPARTE (phase dispersée) et FILM (approche surfacique). Ce type d'approche pourra, à terme, être utilisé pour la simulation instationnaire LES d'un système de combustion, et permettra de déterminer les temps caractéristiques de convection du carburant liquide pouvant affecter les phénomènes d’évaporation et de combustion, et donc l'apparition des instabilités de combustions. Afin de valider cette approche, les résultats issus des simulations sont systématiquement comparés aux observations expérimentales obtenues dans le cadre du projet SIGMA.
Dans un premier temps, une simulation du jet liquide en présence d'un écoulement gazeux transverse est réalisée. Cette simulation a permis de valider l'approche multi-échelle : pour cela, les grandes échelles du jet, ainsi que les mécanismes d'atomisation reproduits par les simulations, sont analysés. Ensuite, l'influence d'une perturbation acoustique sur l'atomisation du jet liquide est étudiée. Les comportements instationnaires du jet et du spray issu de l’atomisation sont comparés aux résultats expérimentaux à l’aide des moyennes temporelles et des moyennes de phase.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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