Modélisation de l'impact des carburants sur les moteurs d'avion

L’augmentation des catastrophes climatiques, causée par l’activité humaine, a conduit certains acteurs du secteur aéronautique à réfléchir à des solutions pour réduire les émissions liées à la combustion et créer une aviation moins consommatrice. Cependant, le stockage sous forme de batterie ne remplit pas le critère de puissance et d’autres carburants prometteurs comme l’hydrogène nécessitent de modifier le moteur de l’avion de manière conséquente. Une solution à court terme est l’utilisation de carburants alternatifs qui sont directement utilisables et, qui, malgré certains inconvénients, réduiraient les émissions du secteur dans un futur proche. Le projet européen H2020 - JETSCREEN, qui a financé cette thèse, s’inscrit dans ce contexte. En effet, le developement des Simulations aux Grandes Echelles (SGE) et des Chimies Analytiquement Réduites (ARC) couplés à l’augmentation des ressources informatiques a permis à de la cinétique précise d’être appliquée à la combustion turbulente dans les foyers aéronautiques. Le principal sujet de cette thèse est le développement d’une méthodologie pour analyser une flamme diphasique turbulente avec des pertes thermiques et de la chimie complexe pour trois carburants multi-composants : un conventionnel et deux alternatifs. Avant de calculer ces flammes, des questions restent en suspens sur les propriétés chimiques et d’évaporation de ces carburants. Premièrement, les ARC ont été développés et comparés à des mécanismes détaillés, validant la capacité du code de réduction cinétique ARCANE à retrouver les sensibilités chimiques des carburants. Les carburants ont ensuite été analysés sur des cas canoniques concluant que la composition des carburants a une influence sur la combustion globale mais peu sur les polluants. De plus, la simulation de flammes 1D prémélangées ARC a expliqué pourquoi des cinétiques si complexes ont besoin de très peu de points dans le front de flamme pour donner des résultats précis et a mis en évidence le rôle prépondérant du pied de flamme et en particulier de la consommation du carburant qui pilote la convergence de la flamme. Deuxièmement, la comparaison des propriétés d’évaporation a conduit à des résultats proches du travail experimental du DLR et retrouve la sensibilité des carburants au diphasique. En se basant sur ces résultats, le calcul de flammes prémélangées diphasiques a montré que les variables caractéristiques de la flamme sont dépendantes du degré d’évaporation préférentiel. De plus, la structure d’une flamme diphasique de diffusion à contre-courant a montré que l’écoulement diphasique polydisperse initie un changement de régime de flamme ce qui explique la structure exotique observée. Une fois ces deux analyses réalisées, la chambre de combustion réelle a pu être simulée. Les différences en terme de solutions moyennées ont été établies, montrant la bonne capacité du code SGE AVBP à reproduire le comportement expérimental de ces carburants pour les quantités dynamiques, les champs thermiques et les propriétés diphasiques. La comparaison entre un substitut simple et complexe pour le kérosène a conduit à un point de stabilisation similaire, mais une structure de flamme différente, montrant la capacité du senseur Takeno à visualiser globalement le bon régime de flamme. Une méthodologie pour la détection de l’extinction en limite pauvre a été suggérée sur la chimie simple, d’abord en évaluant le temps caractéristique de la chambre, quantité clé pour l’évolution de la flamme transitoire puis en choisissant les variables permettant la détection de l’extinction. L’extinction a été détéctée un peu au-dessous de la valeur expérimentale, en stabilisant des flammes par un allumage de gaz chauds. Finalement, la structure de flamme a été comparée pour les trois carburants et a montré que les différences observées sont principalement dues aux propriétés d’évaporation qui impactent directement le champ thermique et le régime de flamme.The rise of climatic hazards, due to the human contribution, has led some governments and industries of the aeronautical sector to think about solutions to reduce combustion emissions. To create a less environmentally demanding aviation, electrical storage does not fill the power criteria and other promising fuels such as hydrogen require a change of the whole plane engine. Another short-run solution is the use of drop-in alternative fuel, which, despite some drawbacks, would reduce the emissions of the sector in the nearer future. The European H2020-JETSCREEN project, that funded this PhD, falls within this context. Indeed, the development of Large-Eddy Simulations (LES) and Analytically Reduced Chemistries (ARC) coupled with the rise of computer resources has enabled precise kinetics to be used in turbulent combustion chambers. The main topic of this PhD is the development of a methodology to analyse a stabilised turbulent two-phase flow flame with complex chemistry and heat losses for three multi-component fuels : one conventional and two alternative fuels. Before the computation, questions on the chemistry and the evaporation properties of the fuels remain. At first, ARC were developed and validated against the detailed mechanism, testifying the capability of the kinetic reduction code ARCANE to retrieve the chemical fuel sensitivities. Fuels were then analysed on every canonical case concluding that the fuel composition had an influence on the global combustion but little on the pollutants. Furthermore, the simulation of 1D ARC premixed flame explained why such complex kinetics need very few points in the flame front in order to give accurate results and underlined the prominent role of the flame foot and especially the fuel consumption that is monitoring the flame convergence. Second, evaporation properties comparisons led to results close to the experimental work of the DLR and retrieving the two-phase fuel sensitivities. Based on those results, a twophase premixed flame was computed and the flame characteristic variables were found to depend on the degree of pre-evaporation. Furthermore, the spray counter-flow diffusion flame structure was investigated. The polydisperse two-phase flow initiating a change of the flame regime explained the exotic structure observed. Once those canonical analyses studied, the real combustion chamber simulation was tackled. Differences in terms of averaged solutions have then been drawn, showing the capability of the LES code, AVBP, to globally reproduce the experimental behaviour of those fuels whether for the dynamic quantities, the thermal fields or the two-phase flow properties. The comparison between a simple and a complex surrogate for Jet-A1 resulted in a similar stabilisation point, but a different flame structure, assessing the capability of the Takeno sensor to visualise the right flame regime. A Lean Blow-Out(LBO) methodology was suggested on the simple chemistry, starting by the evaluation of the characteristic timescales, key quantities for the transient flame evolution and followed by the right variable choice for the LBO detection. The LBO was detected slightly below the experimental value, following a flame stabilisation by hot gases process. Finally, the flame structure was compared for the three fuels and depicted differences in terms of flame structure mainly due to the evaporation properties that are impacting the thermal field and the local flame regime