Towards a unified approach for Large Eddy Simulation of turbulent spray flames

Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l’implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d’atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d’atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d’abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l’atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d’ultérieurs travaux.The recent limitations imposed by ICAO-CAEP, regulating NOx emissions, are leading to the implementation of lean burn concept in the aero-engine framework. From a design perspective, a depth insight on lean burn combustion is required and Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a useful tool for this purpose. Several interacting phenomena are involved and various modelling strategies, with huge differences in terms of computational costs, are available. Nevertheless, up to now few numerical tools are able to account for the effects of liquid fuel preparation inside reactive computations. Spray boundary conditions are normally determined thanks to correlative approaches that are not able to cover the wide range of operating conditions and geometrical characteristics of aero-engine burners. However, as highlighted in the first part of the dissertation, where several literature test cases are analysed through numerical calculations, the impact of liquid preparation can be extremely important. Considerations based on correlative approaches may be therefore unreliable. More trustworthy predictive methods focused on fuel atomization are required. This research activity is therefore aimed at developing a general numerical tool, to be used in an industrial design process, capable of modelling the liquid phase from its injection till the generation of a dispersed spray subject to evaporation. The ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization) model, which is based on an Eulerian approach in the dense region and a Lagrangian one in the dilute zone, has been chosen to this end. The solver is able to deal with pure liquid up to the generation of a dispersed phase and to account for the breakup process through the introduction of the liquid-gas interface density. However, several limitations of such method arise considering its application in a highly swirled reactive environment like an aero-engine burner. Therefore, particular attention has been here devoted first to the study of the turbulent liquid flux term, inside the liquid volume fraction equation. This quantity is of paramount importance for a swirled flow-field, with high slip velocities between phases. A completely innovative modelling framework together with a new second order closure for this variable is proposed and validated on a literature jet in crossflow test case. Then, to handle a reactive environment, a novel evaporation model is integrated in the code and assessed against experimental results. Finally, an alternative way to derive the Drop Size Distribution (DSD) in ELSA context for the lagrangian injection is presented and assessed by means of Direct Numerical Simulations. Ultimately, this work introduces an innovative framework towards a uni- fied description of spray combustion in CFD investigations. The proposed approach should lead to a comprehensive description of fuel evolution in the injector region and to a proper characterization of the subsequent reacting flow-field. Several improvable aspects are also highlighted, pointing the way for further enhancements