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Étude numérique de l'écoulement à froid et à chaud dans un brûleur poreux

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Billerot, Pierre-Lou (2018). Étude numérique de l'écoulement à froid et à chaud dans un brûleur poreux. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La combustion en milieu poreux (CMP) est un procédé qui a été étudié expérimentalement et numériquement durant les trois dernières décennies. Cependant, les études numériques sont très souvent restreintes à des modèles 1D et 2D à cause de la difficulté à reproduire un modèle 3D complet dû à la complexité des matrices de type mousse-éponge usuellement utilisées pour ce type d’application et aux coûts de calcul élevés. Désormais, avec l’émergence des technologies innovantes d’impression additive en trois dimensions, il est possible de concevoir des matrices avec un motif plus structuré et ordonné.

Cette étude vise à modéliser le comportement de l’écoulement et les caractéristiques de la combustion dans un tel milieu homogène pouvant être obtenu par voie d’impression additive. Le modèle numérique est conçu avec le logiciel STAR-CCM+ qui résout le système des équations de Navier-Stokes écrites pour un écoulement compressible, laminaire et instationnaire.

Pour traiter la géométrie relativement complexe du milieu poreux étudié, le modèle numérique est conçu tout d’abord en étudiant l’écoulement autour d’un cylindre afin de déterminer les caractéristiques d’un maillage approprié pour modéliser l’écoulement à petite échelle. Ce maillage est ainsi appliqué sur la géométrie du milieu poreux reproduit sur un volume représentatif. Des analyses à l’échelle macroscopique et microscopique sont ensuite conduites sur un écoulement froid isotherme. Différents régimes d’écoulement sont observes et le gradient de pression macroscopique présente un bon accord avec les corrélations basées sur la loi de pression de Darcy-Forchheimer. Les observations à micro-échelle montrent le comportement du fluide dans les pores du milieu. Finalement, la combustion dans le milieu poreux est investiguée sur toute une plage d’opération stable. Les caractéristiques macroscopiques de la CMP sont illustrées. À l’échelle des pores, la structure ordonnée de la matrice réduit la dispersion et permet de constater que la combustion est plus homogène. Les fluctuations locales de température sont moins importantes. Cette homogénéisation de l’écoulement permet d’allonger la durée de vie des matrices et de réduire les émissions de polluants.

Titre traduit

Numerical study of cold and reactive flow within a porous burner

Résumé traduit

Combustion in porous media (CPM) has been pursued experimentally and numerically over the last decades and most numerical studies have been restricted to 1D and 2D simulations because of the encountered difficulties to reproduce a full 3D model due to sponge-like porous media normally used in CPM and computational cost. However, due to innovative 3D additive printing technology, it is now possible to print porous media with a user-specific design pattern.

Based on this technology, this paper aims at modelling the flow behavior and combustion features of a homogeneous porous medium as would be printed using advanced additive technology. The numerical model is set up using the software STAR-CCM+ to solve the Navier-Stokes equations system for a compressible, laminar and unsteady flow.

Nevertheless, the geometry of the porous medium remains relatively complex. Hence, the numerical model is built by first studying the flow past a cylinder as to determine the proper mesh size and distribution for an accurate flow representation at the microscale. Based on these results, the mesh is applied on the porous medium geometry reproduced in a representative volume. Analyses at macro and microscale of the cold flow through the porous medium are then carried out. Different flow rates representative of CPM and flow regimes are simulated as well as pressure drops along the medium are presented and showed a good agreement with the Darcy-Forchheimer pressure gradient law. Observations at the pore microscale are reported and depicted the fluid flow within the structure. Finally, the combustion of a reactive mixture is studied over a wide stable operation range. The main characteristics of the CPM are illustrated. At the microscale, the effects of the ordered structure are observed: the dispersion is reduced and the combustion is more homogeneous. The local temperature fluctuations are less important. This homogeneity leads to enhance the matrix lifetime and to reduce the pollutants emissions.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques : pages 153-161.
Mots-clés libres: milieu poreux, combustion, brûleur poreux, microscopique, modélisation 3D, dispersion
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Codirecteur:
Codirecteur
Dufresne, Louis
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 17 déc. 2018 17:21
Dernière modification: 17 déc. 2018 17:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2184

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