Contribution à la simulation des grandes échelles d'une flamme turbulente prémélangée stabilisée dans un écoulement rapide

Un modèle numérique hybride SGE-PDF est développé pour réaliser des simulations numériques instationnaires Low Mach Number d'écoulements turbulents réactifs. Les équations de transport pour la masse, la quantité de mouvement et les quantités scalaires sont résolues dans le cadre de l'approche SGE (Simulation des Grandes Echelles). La turbulence est modélisée par le biais d'une fermeture classique de type Smagorinsky-Lilly et les taux de production chimique sont, dans un premier temps, représentés par le biais de lois d'Arrhenius mono-étapes. Du point de vue numérique, les équations de transport sont discrétisées par le biais de schémas précis au second ordre mis en œuvre sur des maillages cartésiens dans le cadre d une approche de type volumes finis. Les effets de la turbulence de sous-maille sur la combustion sont traités par le biais d'une résolution lagrangienne de la fonction densité de probabilité (ou PDF pour Probability Density Function) de sous-maille. La résolution correspondante repose sur l'emploi d'une méthode de Monte Carlo : des équations différentielles stochastiques (EDS) équivalentes aux équations de Fokker-Planck sont résolues pour la variable de progrès de la réaction chimique. Les résolutions eulériennes (LES) et lagrangiennes (PDF) sont effectuées simultanément : le champ de vitesse, les fréquences caractéristiques du mélange turbulent ainsi que les coefficients d'échange sont fournis par la résolution LES alors que la considération de la PDF scalaire permet d'évaluer les taux de production de sous-maille. Le nombre de particules stochastiques requis pour évaluer, avec une précision suffisante, la PDF de sous-maille , a nécessité la parallélisation du solveur lagrangien permettant ainsi d'étudier plus précisement l'influence du maillage. Enfin, le modèle complet est utilisé pour simuler un cas test expérimental qui consiste en une flamme CH4-air qui s'établit entre un courant prémélangé pauvre de richesse 0.8 et un courant de gaz brûlés (flamme pilote). Une comparaison détaillée est effectuée entre les données expérimentales disponibles et les résultats des simulations.A hybrid Large Eddy Simulation / transported Probability Density Function (LES-PDF) computational model is developed to perform the numerical simulation of variable-density low Mach number turbulent reactive flows. Transport equations for mass, momentum, and scalars are solved together with an equation of state within the LES framework. Turbulence is modeled using the classical Smagorinsky closure whereas chemical reaction is first addressed thanks to a global single-step chemistry scheme. The governing equations are discretized using second order accuracy spatial and temporal approximations applied to uniform Cartesian meshes within a finite volume framework. The effects of subgrid scale (SGS) turbulence on the combustion processes are accounted for by means of a Lagrangian transported PDF model which is coupled with the LES solver. The PDF model relies on the use of a Monte Carlo technique: Stochastic Differential Equations (SDE), equivalent to the Fokker- Planck equations are considered for the progress variable. LES and PDF models are solved simultaneously, exchanging information at each integration time step, the velocity field, turbulence frequency and diffusion coefficient being provided by LES, whereas the PDF model returns the filtered chemical reaction rate. Parallelization of the Lagrangian solver has been performed based on the domain decomposition strategy, the same strategy being already implemented for the eulerian LES solver. The resulting computational model is used to perform the simulation of an experimental test case consisting of a CH4-air flame established between two streams of fresh and burnt pilot gases in a constant area square cross section channel. The accuracy of the numerical solutions provided by the hybrid LESPDF approach is assessed by detailed comparisons with experimental data.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF