Vers la modélisation multi-composants des flammes de spray

Jusqu’à aujourd’hui, les moteurs automobiles et aéronautiques étaient conçus pour fonctionner avec des combustibles fossiles. Pour relever les défis économiques et environnementaux du monde actuel et de la transition énergétique, des carburants de substitution sont développés et testés. Ils sont utilisés pour remplacer directement les carburants classiques ou bien sous forme de mélanges pour obtenir les propriétés thermochimiques souhaitées. Cependant, l’impact de ces nouveaux carburants sur les performances des chambres de combustion reste partiellement connu. Dans cette perspective, des simulations haute-fidélité de la combustion turbulente de carburants de substitution ne peuvent être réalisées qu’à la condition de prendre en compte une description détaillée multi-composants des mélanges de liquides et de gaz. L’objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation instationnaire des flammes de spray en présence de phénomènes complexes multi-composants : évaporation différentielle, mélange multi-espèces, nombreuses réactions chimiques en phase gazeuse. À cet effet, le carburant est traité comme un ensemble de mélanges à plusieurs composants, qui peuvent être différents dans les phases liquide et gazeuse en fonction de la précision requise. Différents modèles pour les phénomènes susmentionnés sont disponibles dans la littérature. Le principal défi est le couplage de ces différentes approches et leur validation dans des conditions réalistes et complexes. Premièrement, l’approche multi-composants choisie pour la phase gazeuse, basée sur le transport d’un grand nombre d’espèces et sur la chimie de type Arrhénius, est validée pour les flammes prémélangées. La configuration de flamme sphérique en expansion a été choisie pour étudier la vitesse de consommation de la flamme, paramètre important de la combustion. En collaboration avec l’équipe expérimentale du laboratoire CORIA, un formalisme pour l’évaluation précise de la vitesse de consommation de flamme est établi pour les flammes en expansion sphérique confinées et non confinées. Ce formalisme permet d’avoir une comparaison précise des résultats expérimentaux et numériques pour les flammes méthane / air et iso-octane / air et de valider ainsi le modèle de transport en phase gazeuse. Deuxièmement, nous nous sommes concentrés sur le processus physique d’évaporation. Le modèle d’évaporation multi-composants d’Abramzon-Sirignano est implémenté dans le solveur fluide YALES2 en se basant sur une approche de point-force pour les gouttelettes de carburant. Ce modèle a été adapté pour permettre de décrire l’évaporation d’un ou plusieurs composants avec ou sans évaporation différentielle. En tant que tel, le modèle est capable de traiter divers surrogates de carburant. Ce modèle d’évaporation est comparé au modèle de Spalding et validé sur les résultats expérimentaux de Chauveau et al. [33], Nomura et al. [158], Ghassemi et al. [82] et Daïf et al. [47] pour une gouttelette à un seul composant, puis une gouttelette isolée à deux composants avec et sans convection. Enfin, la simulation aux grandes échelles (LES) d’une flamme de spray complexe n-heptane/air est réalisée avec une chimie analytiquement réduite (ARC, [169, 205]). Cette flamme a été étudiée expérimentalement au laboratoire CORIA avec des diagnostics haute-fidélité pour caractériser la structure de la flamme et fournir des données quantitatives telles que la vitesse et la température en phase gazeuse ainsi que les distributions locales de taille et de vitesse des gouttelettes de carburant. La comparaison avec les données expérimentales [225] et avec les simulations réalisées dans le cadre du 6ème atelier sur la combustion turbulente de spray (TCS6), montre que les LES actuelles reproduisent fidèlement l’écoulement gazeux et les propriétés de la phase dispersée. Cette configuration ouvre la voie à la simulation de flammes de spray encore plus complexes avec des combustibles à plusieurs composants.