Prediction of pollutants in gas turbines using large eddy simulation

Prédiction des polluants dans les turbines à gaz par simulation aux grandes échelles Les réglementations en termes d'émission de polluants qui s'appliquent aux chambres de combustion de nouvelle génération nécessitent de nouvelles approches de conception. Afin d'atteindre simultanément des objectifs de faibles émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de monoxyde de carbone (CO), un processus d'optimisation complexe est nécessaire au développement de nouveaux concepts de moteur. La simulation aux grandes échelles (SGE) a déjà fait ses preuves pour la prédiction de la combustion turbulente. C'est aussi un outil prometteur pour mieux comprendre la formation des polluants dans les turbines à gaz, ainsi que pour en fournir une prédiction quantitative. Dans ces travaux, une nouvelle méthodologie pour la prédiction du NOx et du CO dans des configurations réalistes est développée. La méthode est basée sur une description du système chimique par des schémas réduits fidèles dits analytiques (ARC) combinés au modèle de flamme épaissie (TFLES). En particulier, un ARC ayant des capacités de prédiction précise du CO et du NO est développé, validé sur des cas laminaires canoniques et implémenté dans le solveur SGE. Le potentiel de l'approche est démontré par une simulation haute résolution de la flamme académique turbulente Sandia D, pour laquelle une excellente prédiction du CO et du NO est obtenue. La méthodologie est ensuite appliquée à deux configurations industrielles. La configuration SGT-100 est un brûleur commercial partiellement prémélangé de turbine à gaz terrestre pour la production d'énergie, étudié expérimentalement au DLR. La SGE de cette configuration permet de mettre en évidence les processus chimiques de formation des polluants et fournit une compréhension qualitative et quantitative de l'effet des conditions de fonctionnement. La seconde application correspond à un prototype monosecteur de système d'injection aéronautique multipoint à très faibles émissions de NOx développé dans le cadre du projet européen LEMCOTEC et étudié expérimentalement à l'ONERA. Un ARC représentant la cinétique chimique d'un carburant aéronautique modèle est dérivé et employé dans la SGE de la chambre de combustion avec un formalisme eulérien pour décrire la phase dispersée. Les résultats obtenus montrent l'excellente capacité de prédiction de l'ARC en termes de propriétés de flamme et de prédiction des polluants.