Thèse Année : 2022

Contribution to the modelling of atomisation assisted by the analysis of high-fidelity simulations

Contribution à la modélisation de l’atomisation assistée par l’analyse de simulations haute-fidélité

Résumé

Optimising the combustion process requires a detailed knowledge of the atomisation process that takes place in the combustion chambers. The latter results from the shearing of the fuel (injected in the form of a jet or a sheet) by a strong surrounding air flow. Large-scale simulation (LSS) has become a preferred tool for unsteady fire simulation. However, this method is not suitable for capturing the small two-phase scales that occur during assisted atomisation. Sub-mesh models providing this information are therefore needed. As these models have not been widely discussed in the literature, this thesis aims to contribute to the development of LES models for assisted atomisation, in particular to the family of so-called "interface density" methods. To this end, a DNS approach has been chosen to simulate, understand and quantify assisted atomisation on simplified but relevant configurations. Two configurations were investigated for their complementary advantages. The first one, called "periodic" sheet, is based on strong assumptions but reproduces the main mechanisms of atomisation, while being much less expensive in terms of mesh size and CPU time. This configuration is ideal for parametric studies. The second, called the "realistic" (spatial) tablecloth, is more expensive but faithfully reproduces ONERA's SHAPE experimental bench. The latter makes it possible to simulate the complete exit of the liquid from the injector up to its atomisation, allowing a comparison with ONERA's experimental database. In parallel, a detection algorithm was built to identify and collect the topological properties of each liquid structure generated in these simulations. This allows to classify these structures into categories (drops, ligaments, others, etc.) and to estimate more precisely the fundamental parameters of an interface density mesh atomisation model. Proposals for model-specific quantities, such as the characteristic time and Weber number, were constructed from the results of the periodic slicks and validated on the spatial slicks, a more realistic and applicable case, confirming the relevance of the chosen approach.
L’optimisation du processus de combustion nécessite une fine connaissance du processus d’atomisation qui se déroule dans les chambres de combustions. Ce dernier résulte du cisaillement du carburant (injecté sous forme de jet ou de nappe) par un fort écoulement d’air environnant. La simulation aux grandes échelles (LES) est devenue un outil privilégié pour la simulation instationnaire des foyers. Cependant, cette méthode n’est pas adaptée à la capture des petites échelles diphasiques apparaissant lors de l’atomisation assistée. Des modèles sous-maille fournissant ces informations deviennent donc nécessaires. Ces modèles étant à ce jour peu traités en littérature, ce travail de thèse se propose de contribuer au développement de modèles LES pour l’atomisation assistée, plus en particulier à la famille de méthodes dites "à densité d’interface". Pour ce faire, une approche DNS a été choisi pour simuler, comprendre et quantifier l’atomisation assistée sur des configurations simplifiées mais pertinentes. Deux configurations ont été investiguées pour leurs avantages complémentaires. La première, dite nappe "périodique", repose sur de fortes hypothèses mais reproduit les principaux mécanismes de l’atomisation, en étant bien moins couteuse en maillages et temps CPU. Cette configuration est idéale pour des études paramétriques. La seconde, dite nappe "réaliste" (spatiale), est plus coûteuse mais reproduit fidèlement le banc expérimental SHAPE de l’ONERA. Cette dernière permet de simuler la sortie complète du liquide de l’injecteur jusqu’à son atomisation, permettant une comparaison avec la base de données expérimentale de l’ONERA. En parallèle, un algorithme de détection fut construit pour identifier et recueillir les propriétés topologiques de chacune des structure liquide générée dans ces simulations. Cela, permet de classifier ces structures en catégories (gouttes, ligaments, autres, etc.) et d’estimer plus précisément les paramètres fondamentaux d’un modèle d’atomisation sous maille de densité d’interface. Des propositions de grandeurs propres à la modélisation, telles que le temps et le nombre de Weber caractéristiques, ont été construites à partir des résultats des nappes périodiques et validées sur les nappes spatiales, cas plus réaliste et applicatif, confirmant la pertinence de la démarche choisie.
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  • HAL Id : tel-04119166 , version 1

Citer

Matthias Averseng. Contribution à la modélisation de l’atomisation assistée par l’analyse de simulations haute-fidélité. Physique [physics]. Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE), 2022. Français. ⟨NNT : 2022ESAE0044⟩. ⟨tel-04119166⟩

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