Modélisation 0D/1D des émissions de particules de suie dans les turbines à gaz aéronautiques

Bisson, Jérémie (2014). Modélisation 0D/1D des émissions de particules de suie dans les turbines à gaz aéronautiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Face à une réglementation de plus en plus exigeante sur les émissions de particules d’aéronef à laquelle s’ajoutent des incertitudes entourant leur formation et leurs effets sur l’atmosphère, une meilleure compréhension de leurs mécanismes physico-chimiques et de leurs interactions avec les composantes des moteurs s’impose.

Ce mémoire porte sur le développement d’un modèle 0D/1D de combustion avec production de suies dans une turbine à gaz aéronautique. Un des objectifs majeurs de cette étude a été d’évaluer la qualité des prédictions en matière d’émissions de suies obtenues avec ce modèle pour différentes configurations de vol. Ce dernier devrait permettre à terme la réalisation d’études paramétriques sur des moteurs existants ou futurs avec un temps de calcul minimal.

Le modèle représente plusieurs zones de la chambre de combustion et des modules turbines et tuyère par un réseau de réacteurs chimiques (CRN) couplé à une cinétique détaillée de combustion du kérosène et à un modèle dynamique de formation des particules de suie utilisant la méthode des moments. Ce CRN a été appliqué au moteur CFM56-2C1 sur les configurations de vol du cycle LTO (Landing-Take-Off) étudiées dans la campagne expérimentale sur les émissions de particules aéronautiques APEX-1. Le modèle a été validé principalement sur les données thermodynamiques du moteur et les concentrations de polluants (H2O, COX, NOX, SOX) mesurées dans cette même étude. Cette première étape de validation opérée, le modèle a par la suite été utilisé pour le calcul du diamètre moyen ainsi que les indices d’émissions massiques et en nombre de la population de particules.

Globalement, le modèle est représentatif des conditions thermodynamiques au sein du moteur et parvient à prédire les émissions de polluants majeurs, particulièrement à forte puissance moteur. Concernant les émissions de particules de suie, la capacité du modèle à prédire simultanément les indices d’émissions et le diamètre moyen n’a pu être validée que partiellement. En effet, les indices d’émissions massiques restent supérieurs aux résultats expérimentaux notamment à forte puissance. Ces écarts sur cet indice d’émissions peuvent être la conséquence d’incertitudes sur les paramètres thermodynamiques du CRN et sur la distribution de l’air dans la chambre de combustion. L’analyse de l’évolution de l’indice d’émissions en nombre de particules le long du CRN a également souligné la nécessité de revoir le modèle de nucléation employé et d’envisager à l’avenir l’implantation d’un mécanisme d’agrégation des particules.

Titre traduit

0D/1D modeling of soot particle emissions in aircraft gas turbine engines

Résumé traduit

Because of more stringent regulations of aircraft particle emissions as well as strong uncertainties about their formation and their effects on the atmosphere, a better understanding of particle microphysical mechanisms and their interactions with the engine components is required.

This thesis focuses on the development of a 0D/1D combustion model with soot production in an aeronautical gas turbine. A major objective of this study is to assess the quality of soot particle emission predictions for different flight configurations. The model should eventually allow performing parametric studies on current or future engines with a minimal computation time.

The model represents the combustor as well as turbines and nozzle with a chemical reactor network (CRN) that is coupled with a detailed combustion chemistry for kerosene (Jet A-1) and a soot particle dynamics model using the method of moments. The CRN was applied to the CFM56-2C1 engine during flight configurations of the LTO cycle (Landing-Take-Off) as in the APEX-1 study on aircraft particle emissions. The model was mainly validated on gas turbine thermodynamic data and pollutant concentrations (H2O, COX, NOx, SOX) which were measured in the same study. Once the first validation completed, the model was subsequently used for the computation of mass and number-based emissions indices of the soot particulate population and average diameter.

Overall, the model is representative of the thermodynamic conditions and succeeds in predicting the emissions of major pollutants, particularly at high power. Concerning soot particulate emissions, the model's ability to predict simultaneously the emission indices as well as mean diameter has been partially validated. Indeed, the mass emission indices have remained higher than experimental results particularly at high power. These differences on particulate emission index may be the result of uncertainties on thermodynamic parameters of the CRN and mass air flow distribution in the combustion chamber. The analysis of the number-based emission index profile along the CRN also highlights the need to review the nucleation model that has been used and to consider in the future the implementation of a particle aggregation mechanism.

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". Bibliographie : pages 125-134.
Mots-clés libres:	Avions Turbines à gaz Combustion Modèles mathématiques. Avions Moteurs Gaz d'échappement. Suie. Polluants atmosphériques. émission, formation, particule, modèle d’émissions, réacteur chimique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Codirecteur:	Codirecteur Seers, Patrice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	25 juin 2014 18:50
Dernière modification:	25 juin 2014 18:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1328

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