Modélisation des phénomènes diphasiques dans des injecteurs aéronautiques de type Airblast

The aeronautical sector must reduce its pollutant emissions and its fuel consumption to face the ever more stringent environmental standards. To achieve this goal, lean combustion technologies, allowing a good combustion efficiency while limiting nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO) emissions, are being developed. Those new generation combustors are nevertheless more likely to destabilize and the fuel injection system plays a significant part in stabilizing the flame, and thus maintaining an efficient combustion process. Because of their ability to offer stable performances for a large range of operating conditions, Airblast injec- tors have attracted much attention from the engine manufacturers. In such injectors, the fuel is introduced in the combustor as a thin liquid film flowing along the injector wall towards the diffuser lip, where it is finally atomized into small droplets. This PhD aimed at numeri- cally studying the physical phenomena involved in Airblast injectors, and at developing the numerical tools allowing their characterization. With that objective, a methodology allowing to perform some direct numerical simulations of academic configurations has first been propo- sed. It was then applied in two distinct configurations to the study the liquid film dynamics and its atomization process using a Volume Of Fluid method and the NGA incompressible solver. In parallel, a simpler modelling method relying on phenomenological models has been developed in the Lagrangian solver of the compressible code AVBP. This approach allows to predict the atomization dynamics given the flow topology. Our main work consisted in deve- loping and integrating the Automatic-PAMELA (Primary Atomization Model for prEfilming airbLAst injectors) model which proposes a local formulation and an automated determination of the PAMELA primary atomization model inputs (Chaussonet, 2016). Once validated on a well characterized experimental configuration, the model was applied to an industrial Airblast injector configuration and allowed us to predict spray characteristics in line with experimentally measured. While very efficient, this approach is valid for a restricted operating range, thus limi- ting its application to flows where the physical phenomena involved are well known. To address this issue, a two-phase flow numerical method based on a multifluid diffuse interface approach has also been developed in AVBP during this PhD. It relies on the combination of a 4-equations multifluid model to describe the flow behavior, and a Noble-Able-Stiffened-Gas (NASG) ther- modynamic closure able to represent the thermodynamic evolution in both the gaseous and the liquid phase. To avoid numerical diffusion of strong gradients at liquid/gas interface while ensuring the numerical stability, a Godunov numerical scheme with a HLLC Riemann solver designed for “node-centered” formulations has been integrated in the AVBP code. It required an important algorithmic work specially to implement a MUSCL reconstruction methodology in a high-performance computing framework, and thus ensuring a global second order accuracy. After some 1D and 2D validations, the method has finally been used to perform 2D simulations of a gas sheared liquid film and of a prefilming Airblast atomization process, highlighting its ability to address physical phenomena representative of real Airblast injector configurations.Le secteur aéronautique se doit aujourd’hui de réduire ses émissions polluantes et sa consommation de carburants fossiles afin de proposer des moteurs compatibles avec des normes environnementales de plus en plus exigeantes. De nouvelles technologies basées sur le concept de combustion pauvre et garantissant un rendement de combustion élevé tout en limitant la production de polluants tels que les oxydes d’azote ou le monoxyde de carbone ont ainsi vu le jour. Celles-ci sont néanmoins plus sensibles aux instabilités de combustion et le système d’injection de carburant joue alors un rôle central dans le maintien de la stabilité de la flamme. De par leur capacité à offrir des performances constantes dans une gamme importante de conditions de fonctionnement, les injecteurs de type Airblast suscitent particulièrement l’intérêt des motoristes. Dans ce type d’injecteur, le carburant est introduit de façon à former un film liquide mince qui ruisselle ensuite jusqu’au bout de la lèvre d’un diffuseur, où il est enfin atomisé en fines gouttelettes. Lors de cette thèse, nous avons cherché à étudier les phénomènes physiques en jeu dans ces injecteurs, et à développer des outils numériques pour faciliter leur caractérisation. Pour atteindre ces objectifs, une méthodologie permettant de réaliser des simulations numériques directes de configurations académiques a tout d’abord été proposée. Celle-ci fut ensuite appliquée pour étudier précisément la dynamique du film liquide et du processus d’atomisation primaire dans deux configurations différentes, avec une méthode Volume Of Fluid et du solveur incompressible NGA. En parallèle, une alternative moins couteuse, basée sur un ensemble de modèles phénoménologiques, a été développée au sein du solveur Lagrangien du code compressible AVBP. Cette dernière permet de prédire la dynamique de l’atomisation du liquide en fonction de la configuration de l’écoulement. Une part importante des travaux a consisté à développer et intégrer le modèle Automatic-PAMELA (Primary Atomization Model for prEfilming airbLAst injectors) qui offre une formulation locale et une détermination automatique des grandeurs d’entrée du modèle d’atomisation primaire PAMELA de Chaussonnet (2016). Une fois validée sur une configuration expérimentale académique, la méthodologie phénoménologique a ensuite été appliquée sur une configuration industrielle d’injecteur aéronautique de type Airblast et a, là encore, permis de retrouver les caractéristiques du spray. Bien que très efficace, cette approche souffre néanmoins d’une plage de validité restreinte limitant son utilisation à une gamme de topologies d’écoulements où les phénomènes physiques en jeu sont bien connus. Pour pallier cette limitation, une méthode diphasique basée sur une approche multifluides aux interfaces diffuses a donc, dans un troisième temps, été développée au sein du code compressible AVBP. Elle repose sur la combinaison d’un modèle à quatre équations décrivant le comportement des différents fluides, et d’une fermeture thermodynamique Noble-Able-Stiffened-Gas capable de représenter l’évolution thermodynamique en phase gazeuse et liquide. Pour éviter la diffusion numérique des forts gradients au niveau de l’interface tout en assurant la stabilité du calcul, un schéma numérique de Godunov base sur une résolution des problèmes de Riemann par un solveur HLLC et adapte a une formulation "nodecentered" a été intégré dans le code AVBP. Un important travail algorithmique a, en particulier, été mené pour implémenter une méthodologie de reconstruction MUSCL dans un contexte parallèle et ainsi, assurer une précision du schéma a l’ordre deux. Après une validation sur des cas 1D et 2D, la méthode a, finalement, été utilisée pour réaliser des simulations 2D d’un film liquide cisaillé et d’un processus d’atomisation Airblast avec préfilmeur illustrant ainsi sa capacité à simuler des phénomènes physiques proches de ceux rencontrés dans les configurations d’injecteurs ciblées