• Accueil
• > Thèmes de recherche
• > Combustion
• > Combustion turbulente

Combustion turbulente

Les Simulations aux Grandes Échelles (SGE ou Large Eddy Simulation -LES- en Anglais) ont révolutionné le domaine des écoulements turbulents et plus récemment de la combustion turbulente. De nombreux codes sont en mesure d'effectuer des SGE dans des géométries simples, mais très peu peuvent simuler les écoulements dans des géométries complexes. AVBP fait partie de la dernière catégorie des outils de simulation. Il a été développé conjointement par le CERFACS et l'IFP pour effectuer la SGE des écoulements réactifs dans les turbines à gaz, dans les moteurs à piston ou dans les fours industriels. Ce solveur compressible de SGE utilise une discrétisation construite sur des maillages non structurés et hybrides. AVBP est employé dans de multiples configurations comme les turbines à gaz industrielles (Alstom, Siemens, Turbomeca), les turbines à gaz aéronautiques (SNECMA, Turbomeca), les moteurs de fusée (SNECMA DMF Vernon) ou les brûleurs de laboratoire utilisés pour étudier la combustion instationnaire (Cambridge, Ecole Centrale de Paris, Coria à Rouen, DLR, Université de Karlsruhe, Université de Munich).

AVBP a été et est toujours utilisé dans de nombreux projets financés par le Communauté Européenne  et dédiés aux écoulements réactifs :

AVBP est aussi utilisé dans des programmes de recherche français, comme pour l'Agence Nationale de Recherche (ANR), ou aux Etats Unis d'Amérique (U.S. Department of Energy) pour la recherche plus spécialement dédiée aux calculs sur machines massivement parallèles :

Figure 1: Exemple d'une SGE sur une turbine à gaz annulaire industrielle : visualisation du champ de température dans la chambre de combustion (papier soumis au 32nd International Symposium on Combustion).

La combustion instationnaire et la maîtrise des instabilités de combustion sont les deux clés dans le développement des turbines à gaz (voir http://ceigt.ist.rwth-aachen.de/eumigt/ pour des exemples de challenges pratiques dans le développement des turbines). La SGE est l'une des méthodes les plus prometteuses pour simuler et étudier ces phénomènes. AVBP contient beaucoup d'ingrédients numériques qui font de ce code un outil unique pour étudier la combustion instationnaire, les instabilités de combustion dans une phase gazeuse ou en diphasique dans le contexte des turbines à gaz, des moteurs automobiles ou des propulseurs spatiaux :

• Des schémas spatiaux d'ordre élevé ([Colin and Rugdyard, 2000], [Moureau et al., 2005]).

• Des maillages hybrides ([Schönfeld and Rugdyard, 1999]).

• De multiples modèles de turbulence classiques et de nouveaux modèles de turbulence pour les tensions turbulentes ([Ducros et al., 1997], [Ducros et al., 1998], [Nicoud et al., 1998]).

• Des modèles SGE spécifiquement construits pour décrire les interactions entre la turbulence et la combustion. Ces modèles sont construits à partir de résultats de Simulations Numériques Directes (SND) obtenus depuis plus de 10 ans à Toulouse, à Paris (École Centrale), au CTR (Center for Turbulence Research) de l'Université de Stanford, au CORIA de Rouen et à l'Institut Français du Pétrole (IFP). Le modèle de Flamme Épaissie a été développé au CERFACS et à l'école de Centrale Paris pour des flammes parfaitement prémélangées et a ensuite été étendu à tous les régimes des flammes par toute une série d'études  : [Colin et al., 2000], [Angelberger et al., 2000], [Selle et al., 2004], [Roux et al., 2005].

• Les conditions aux limites font partie du caractère exceptionnel d'AVBP. Développées sur la base des conditions aux limites non réfléchissantes dites NSCBC ([Poinsot and Lele, 1992], [Nicoud, 1999], [Moureau et al., 2005]), elles ont été étendues pour être compatibles avec l'écoulement et avec l'acoustique des chambres de combustion. Une description complète de ces conditions aux limites est établie dans deux ouvrages : Poinsot and Veynante, "Theoretical and Numerical Combustion" 2005 (Second Edition), édité by R.T. Edwards (http://www.rtedwards.com/) et dans "Artificial Boundary Conditions with Applications to Computational Fluid Dynamics Problems" 2001 édité par Novasciences.

• La version de base d'AVBP est limitée aux écoulements purement gazeux, tandis qu'une extension aux écoulements diphasiques par formulations Euler-Euler et Euler-Lagrange est implémentée en collaboration avec l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (www.imft.fr). Des développements spécifiquement dédiés aux propulseurs spatiaux sont écrits afin d'élargir le domaine d'utilisation d'AVBP.

• Finalement, l'approche arbitraire Euler Lagrange (ALE en Anglais) prend en compte le mouvement de maillage nécessaire aux simulations des cycles de combustion dans les moteurs à piston.

Figure 2: Exemple d'une SGE avec AVBP pour une turbine à gaz aéronautique
 ([Boudier et al., 2007]), un moteur de véhicule, un propulseur de fusée
(Lacaze et al., papier soumis au 32nd Comb. Symp., 2008), une expérience de laboratoire sur les écoulements diphasiques ([Boileau et al., 2008]), une chambre d'hélicoptère, une chambre de combustion de statoréacteur ([Roux et al., 2008]) et un propulseur de fusée 
(Lacaze et al., paper submitted to the 32nd Comb. Symp., 2008).

AVBP a été validé sur de multiples cas réactifs et non réactifs. Des cas de SGE spécifiques, les Formulaires pour la Qualité des Programmes, sont disponibles sur simple requête au CERFACS. Ce sont des cas tests qui permettent de vérifier les versions successives d'AVBP en parcourant un échantillonnage des applications possibles : propagation d'ondes, transmission d'ondes par les conditions aux limites, convection de tourbillon, turbulence homogène isotrope, flammes prémélangées 1D, etc. Ces FQP sont accessibles sur le web d'AVBP et peuvent être consultées par des utilisateurs externes (demander à poinsot@cerfacs.fr).

Le site web d'AVBP contient beaucoup d'information sur le code. La Galerie d'Images montre des photographies de calculs effectués avec AVBP, alors que des films sont disponibles dans l'onglet Galerie de Films.