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Étude numérique de conditons aux limites en situation de combustion turbulente non prémélangée

Lemay, Jonathan (2010). Étude numérique de conditons aux limites en situation de combustion turbulente non prémélangée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire consiste en une étude numérique d'un cas de combustion turbulente non prémélangée. L'objectif principal est d'analyser les prédictions des grandeurs scalaires et vectorielles du champ réactif turbulent en fonction de diverses conditions aux limites fournies par l'écoulement annulaire. Les cas analysés ici, sont comparés avec les données expérimentales de Daily et al. (1998a) de l'Université de Sydney. Pour arriver à cet objectif, le mémoire se divise en trois grandes sections. Dans un premier temps, une étude de maille est effectuée (sur les deux catégories de maillages) afin de montrer l'influence de la discrétisation mmiérique des deux catégories de modéfisation turbulente à effectuer. Dans la seconde partie de ce mémoire l'écoulement inerte turbulent de Daily et al. (1998a) est simulé.

Ainsi, quelques modèles de turbulence (implémentés dans ANSYS CFX©) sont analysés, afin de choisir le plus pertinent pour les simulations des écoulements inertes et réactifs. Dans cette deuxième partie, une première étude de variation des conditions aux limites de l'écoulement annulaire est également effectuée. La dernière partie de cet ouvrage se concentre sur la simulation réactive du cas HMI de Daily et al. (1998a). Dans ce chapitre, la combustion est modélisée en utilisant l'hypothèse de régime de flammelette et la turbulence est simulée en utilisant un modèle dénommée EARSM. L'étude des conditions aux limites annulaires de ces cas réactifs est effectuée en utilisant des proflls de vitesse et d'intensité turbulente expérimentaux (pour le modèle sans canal de développement) et un profil uniforme (pour les modèles avec diverses longueurs de canal de développement armulaire).

Le but de l'exercice est de déterminer quelles conditions aux limites annulaires (profils expérimentaux vs canaux de développement armulaire) sont les meilleures pour décrire le cas réactif HMI. Dans un premier temps, le champ vectoriel de l'écoulement réactif est analysé afin d'étudier la structure turbulente de l'écoulement.

Finalement, les grandeurs scalaires comme la fraction de mélange, la température et les concentrations des espèces chimiques majeures sont analysées en fonction des conditions aux limites annulaires respectives. Les simulations ont démontré que l'utilisation du modèle EARSM en conjonction avec l'ajout des conditions aux limites annulaires expérimentales a permis d'améliorer les prédictions de l'écoulement inerte et ce, particulièrement pour les stations plus éloignées de la face du brûleur. Lors de la simulation de l'écoulement réactif, l'utilisation de ces dernières conditions aux limites expérimentales ont empiré les résultats et ce sont les modèles avec profil uniforme qui ont fourni les meilleurs résultats. Les prédictions des températures sont relativement bonnes pour toutes les stations de mesures alors que les concentrations en espèces chimiques, interpolées à l'aide d'une table de valeurs, ont fourni que des résultats valides pour un domaine restreint à 45 mm de la face du brûleur.

Titre traduit

Boundaries conditions numerical study in a turbulent non-premixed combustion situation

Résumé traduit

This work is a numerical study on the turbulent non- remixed flame HMI of Sydney's University. The main objective of this thesis is to analyze the prédictions of the vectorial and scalar quantities as a function of vcuious boimdary conditions applied to the annular flow field. The cases analyzed hère are compared -with expérimental results Daily et al. (1998a). To fulfill the objectives of this thesis, the présent document is divided in three main sections.

First, a grid sensitivity analysis is performed on the two main catégories of grid (for first and second order turbulence model) in order to show the effect of the physical discretization on each of the turbulent modeling approach. The second part of this "work consists on a study of the turbulence models, already implemented on ANSYS CFX, that can be used for simulating both inert and reacting flows. Thus, the inert flow of Daily et al. (1998a) is simulated using fîrst and second order closure models modeling approach in order to choose the best model to be used for the reacting case. Also, a first sensitivity case study of the annular boundaries conditions is performed on the non reacting flow. The main and last topic of this thesis features the simulation of the HMI turbulent flame of Daily et al. (1998a). For this reacting case, the modeling of combustion and turbulence is respectively donc by using the flamelet regime hypothesis and the EARSM model. The fnst armular boundary condition analysis is performed by using the expérimental profile of velocities and turbulent energy. Then, to try enhancing the quality of the vectorial and scalar quantities prédiction, the profils of those quantities are imposed to follow a mean uniform distribution. The main différence of this approach is that those imiform profils are applied to grids featuring différent annular channel development length. The goal of this approach is to demonstrate which armular boundary condition would be the most effective to correcfiy predicts the HMI flame quantities. For this study, the vector fields of the reacting case is fîrstly depicted in order to characterize the turbulent stiiicture of the flow.

Then the scalars quantities such as mixture fi-action, températures and concentration of chemical species are also analyzed as a function of their respective annulus boundaries conditions. The simulation showed that the usage of the EARSM model in addition to the expérimental annular boundary conditions helped significantly enhancing the prédictions of the non-reacting flow, particularly for the measured stations far away from the bluff-body face. While simulating the reacting flow, using the expérimental boundary conditions had the contrary effect and decrease the quality of the prédictions and the uniform profils cases were the ones that give better results. Overall, the prédictions of températures are generally in good agreement with the expérimental results for ail measured stations. On the other hand, the chemical species concentrations do not follow the same trend and the validity of the prédictions are restricted to a région of 45 mm from the bumer's face.

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 en génie mécanique" Bibliogr. : f. [118]-122.
Mots-clés libres: Flamme. Turbulence. Combustion. Bluff-Body, Flammelette, Inerte, Limite, Maillage, Premelange, Reactif, Resultat
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 21 mars 2011 15:10
Dernière modification: 07 févr. 2017 22:12
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/651

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