Modélisation et simulation de la combustion H2/Air dans les foyers aéronautiques

La crise environnementale actuelle a conduit à une forte mobilisation pour décarboniser l'industrie aéronautique. La recherche de carburants alternatifs, tels que l'hydrogène ou les carburants aéronautiques durables (SAF), a engendré de nouveaux défis en ce qui concerne la modélisation. Parmi les nombreux enjeux, la simulation des écoulements réactifs dans les nouvelles chambres de combustion, dans lesquelles de multiples structures de flammes différentes peuvent coexister. La structure interne et la propagation de ces flammes ont un impact significatif sur les mécanismes de stabilisation de flamme. Les approches de type flamelet dans les simulations des écoulements réactifs restent largement utilisées en raison de leur faible coût de calcul. Parmi les nombreuses approches de type flamelet, les tabulations de flamelets multi-régimes sont apparues comme une solution intéressante pour capturer les structures de flammes partiellement prémélangées. Les deux principaux défis associés à la tabulation de flamelets multi-régimes sont la distinction des différents régimes de combustion et le couplage avec les simulations des grands échelles (LES), où seules les grandes structures turbulentes sont résolues et les structures de flammes fines ne sont souvent pas résolues à l'échelle de la maille. La simulation LES nécessite une modélisation qui tienne compte de la turbulence à l'échelle du sous-maille et des interactions entre la flamme et la turbulence. Bien que les modèles géométriques tels que le modèle de flamme épaissie (TFLES) ou la chimie tabulée filtrée pour LES (F-TACLES) soient bien adaptés aux conditions rencontrées dans les chambres de combustion aéronautiques (régime de flamelet), les efforts de modélisation restent concentrés sur les régimes purement prémélangés. Le formalisme F-TACLES est basé sur une approche de filtrage conservative et peut théoriquement être appliqué aux flammes multi-régimes. Le but de cette thèse est d'étendre le formalisme F-TACLES pour capturer la combustion multi-régime. Le modèle F-TACLES est formellement étendu à la combustion multi-régime en incorporant la stratégie de tabulation partiellement prémélangée 2PFT. Le nouveau modèle utilise des coordonnées de la fraction de mélange filtrée, de la variable de progrès filtrée et du taux de dissipation scalaire résolu. En outre, dans les brûleurs multi-régimes, il existe des zones de diffusion pour lesquelles les épaisseurs de flamme dépendent largement des taux d'étirement locaux. Une nouvelle approche visant à contrôler l'épaisseur réactif filtrée est également proposée, indépendamment des taux d'étirement locaux et de la taille des mailles. Pour garantir une utilisation robuste en LES, une nouvelle fermeture par loi de gradient pour la fraction de mélange est développée dans ce cadre. Ces nouveaux développements sont testés sur une série de cas tests. Des études a posteriori ont été réalisées sur l'injecteur coaxial turbulent HYLON (Hydrogen Low-NOx) développé à l'IMFT Toulouse. Cet injecteur a deux points de fonctionnement qui sont étudiées dans le cadre du workshop TNF, une flamme de diffusion attachée (A) et une flamme partiellement prémélangée liftée (L). Les deux flammes présentent de grandes variations d'étirement locale et ont des mécanismes de stabilisation de la flamme différents, ce qui représente donc un bon candidat pour la validation du modèle. Les modèles F-TACLES actuels et le nouveau modèle sont testés sur les deux points de fonctionnement. La validation multi-régimes est centrée sur la prédiction des structures de flammes partiellement prémélangées, de sorte que les flammes canoniques 1D et 2D sont également étudiées. Une configuration industrielle à haute pression est également étudiée pour tester le modèle dans des conditions où le front de flamme n'est pas résolu sur la grille LES, ce qui est représentatif des simulations de combustion industrielle.