Les chambres de postcombustion – également appelées « afterburners » ou « chambres de combustion séquentielles » – sont utilisées dans certains moteurs d'avion et certaines turbines à gaz industrielles. Objet principal de ce travail, les chambres de postcombustion des avions sont placées en aval des étages de turbine pour les avions supersoniques et servent à produire une poussée supplémentaire pour certaines phases du vol. Les exigences en matière de rendement global, de poussée et d'émissions des moteurs à réaction étant en constante évolution, la conception des postcombusteurs doit être adaptée en conséquence. La physique complexe des écoulements à plusieurs échelles à l'intérieur des chambres de postcombustion pose plusieurs défis pour le développement de nouveaux modèles et architectures de chambres. Pour surmonter ces limites, la simulation des grandes échelles (LES) constitue un outil très prometteur. Cependant, elle nécessite des développements supplémentaires afin d'améliorer sa fidélité pour les conditions d'écoulement rencontrées dans les chambres de postcombustion, notamment concernant la phase liquide du kérosène. En effet, la résolution directe de cette phase n'est pas réalisable numéricalement ; c'est pourquoi une approche d'Euler-Lagrange est adoptée dans ce travail. Cependant, l'interaction complexe entre le gaz à grande vitesse et la phase liquide lagrangienne nécessite une attention particulière dans le cadre des conditions de fonctionnement spécifiques à la chambre de postcombustion, car la plupart de ces modèles ont été développés pour des chambres de combustion conventionnelles. La première partie de cette thèse aborde la modélisation de l'injection de kérosène à l'aide d'injecteurs de type « jet-in-crossflow » (JICF) dans un environnement à grande vitesse, haute température et vicié, caractéristique des chambres de réchauffage. Il est démontré que l'interaction entre le jet JICF et les gouttelettes individuelles avec le flux gazeux est plus forte que ce qui est observé généralement dans les chambres conventionnelles. Représenter correctement la phase liquide dans des conditions des postcombusteurs nécessite donc une modification des modèles lagrangiens. La suite du manuscrit se concentre sur l'étude des flammes de diffusion, qui jouent un rôle majeur dans les postcombusteurs en raison du mélange partiel entre la vapeur de carburant et le flux d'air vicié. Dans un premier temps, la description chimique des flammes de diffusion est examinée. Un modèle kérosène-air en deux étapes, initialement développé pour les flammes de postcombustion prémélangées, est adapté aux flammes de diffusion en optimisant ses propriétés de transport à l'aide de la théorie asymptotique des flammes de diffusion à contre-courant. Ensuite, le traitement des flammes de diffusion turbulentes est étudié dans le cadre de la LES « sans modèle » des flammes de diffusion. Il est démontré que le maillage et les opérateurs de stabilisation numérique ont une influence très forte sur les flammes de diffusion sans modèle, au point que la physique passe au second plan. Une approche fondée sur l'épaississement, appelée « Diffusion Flame Thickness Control » (DFTC), est proposée pour remédier aux problèmes dits de « sous-résolution » et représenter les fronts de flamme de diffusion sur un nombre suffisant de points de maillage. Pour chaque thème, les modèles développés
sont validés par la simulation du banc d'essai expérimental 3D dédié à la post-combustion de Georgia Tech, démontrant ainsi l'applicabilité de ces développements dans une chambre de postcombustion complexe, diphasique et multi-régime. |
Reheat combustors - also called afterburners or sequential combustors - are used in certain aircraft engines and industrial gas turbines. The focus of this work, aircraft reheat chambers are placed downstream of the turbine stages for supersonic aircraft and they are used to produce additional thrust for specific parts of the flight envelope. As the requirements of jet engines for global efficiency, thrust and emissions are ever-evolving, afterburner designs have to be adapted accordingly. The complex multi-scale flow physics inside reheat chambers poses several challenges for the development of new chamber designs and architectures. To overcome these limitations, Large Eddy Simulations is a very promising tool but it needs additional developments to increase its fidelity for the flow conditions found in afterburners. In particular, the accurate prediction of the liquid kerosene phase poses problems as the direct resolution of the liquid phase is not affordable computationally, so an Euler-Lagrange approach is adapted in this work. However, the complex interaction of the high speed gas with the Lagrangian liquid phase needs additional consideration for the particular operating conditions found in afterburner, as most of these models were developed for conventional combustion chambers. In the first part this thesis, the modeling of the injection of kerosene using jet-in-crossflow (JICF) injectors in a high speed, high temperature, vitiated environment, typical of reheat chambers is treated. It is shown that the interaction of the JICF and also the individual droplets with the gaseous flow is stronger than what is typically seen in conventional chambers, and Lagrangian models have to be modified to correctly represent the liquid phase in reheat conditions. Second, diffusion flames are treated as they play a major role in afterburners due to the poor mixing of the fuel vapor with the vitiated air stream. As a first step, the chemical description of diffusion flames is investigated. A 2-step kerosene-air scheme, originally developed for premixed reheat flames, is adapted for diffusion flames by optimizing its transport properties using asymptotic theory of counterflow-diffusion flames. Then, the treatment of turbulent diffusion flames is studied in the context of "no-model" LES of diffusion flames. It is shown that the mesh and numerical stabilizing operators have a very strong influence on no-model diffusion flames, to the point where physics becomes secondary. An approach based on thickening, called Diffusion Flame Thickness Control (DFTC) is proposed to remedy the so-called under-resolution issues and resolve the diffusion flame fronts on sufficient number of grid points. For each topic, the developed models are validated by simulating the 3D postcombustion-relevant experimental test bench of Georgia-Tech, showing the applicability of the developments in a complex, multi-phase and multi-regime reheat combustor. |