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Prise en compte de la morphologie des suies dans l'évaluation du rayonnement thermique des flammes et pour leurs diagnostics optiques dans des systèmes complexes – ASTORIA

Prise en compte de la morphologie des particules de suie dans le rayonnement thermique de la flamme et diagnostics optiques dans les systèmes complexes

Pour progresser dans notre compréhension des émissions de particules (ou suies) et améliorer les capacités des codes CFD pour leur prédiction dans des configurations réelles, une approche combinée est nécessaire pour les simulations multiphysiques associant turbulence, combustion, chimie de la flamme et des précurseurs de suies en phase gazeuse, formation et évolution des suies ainsi que rayonnement thermique en intégrant les propriétés radiatives des agrégats de suies.

Enjeux et objectifs

Les principaux objectifs d'ASTORIA sont de (i) proposer une alternative aux approches sectionelles ou aux méthodes des moments classiquement proposées dans la littérature pour le calcul de la production de suies, afin de calculer l'évolution de la population de particules (ou suies) et de leurs propriétés, y compris leur morphologie ; (ii) développer une nouvelle approche DLCA basée sur la physique pour la génération d'agrégats, prenant en compte les conditions physiques locales le long des trajectoires des particules, (iii) produire des propriétés radiatives dans la gamme infrarouge prenant en compte la morphologie des agrégats de suie. Tous ces nouveaux développements de modèles seront intégrés dans un code CFD pour améliorer la prédiction du nombre et de la forme des suies émises dans les applications industrielles, ce qui est l'objectif global d'ASTORIA. <br /> <br />De tels développements permettront également de calculer le rayonnement dans la gamme de fréquences visibles, afin de reproduire numériquement des diagnostics laser tels que la diffusion statique de la lumière, l'extinction de la ligne de visée ou l'incandescence induite par laser. Cela ouvrira la voie à une comparaison plus directe entre les simulations et les expériences pour une meilleure compréhension et prédiction des émissions de suies. L'amélioration des connaissances et de la description des propriétés radiatives des suies augmentera également la précision des diagnostics laser et des modèles climatiques.

La méthodologie proposée dans ASTORIA nécessite une solide expertise dans la simulation numérique directe (DNS) et la simulation des grandes échelles (LES) haute fidélité de flammes turbulentes avec suies dans des géométries complexes, l'approche Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation (DLCA) pour la génération d'agrégats et la simulation précise du rayonnement auquel contribuent à la fois les gaz brûlés dégagés par la combustion et les agrégats de suie. La méthode des ordonnées discrètes (DOM) et la méthode de Monte Carlo (MCM) seront utilisées pour calculer le rayonnement, ainsi que l'approximation dipolaire discrète pour évaluer les propriétés radiatives des agrégats individuels. A notre connaissance, de telles simulations couplées n'ont jamais été réalisées et confèrent au projet ASTORIA une originalité et une innovation significatives par rapport aux autres projets en cours dans le domaine.

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Le projet ASTORIA vise à développer des outils numériques innovants afin d’améliorer la modélisation CFD de la formation des suies et des propriétés radiatives dans les systèmes réactifs complexes. En effet, la modélisation des suies est rendue difficile par les mécanismes complexes à l’origine de la formation des suies : chimie en phase gazeuse complexe, processus physiques et radiatifs. Il est aujourd’hui nécessaire de contrôler le processus de formation des suies, afin d'optimiser les propriétés radiatives des systèmes de combustion et de réduire les émissions de suies. Pour obtenir une précision suffisante, les modèles doivent prendre en compte la taille des particules ainsi la morphologie de l'agrégat. Ainsi, ASTORIA a pour objectif de développer ou améliorer des approches numériques à la fois pour la combustion et le rayonnement dans des géométries complexes. En premier lieu, ASTORIA proposera une méthode basée sur une méthode semi-déterministe lagrangienne calculer l'évolution de la population et des propriétés des particules, en incluant une chilie détaillée pour la phase gazeuse. C’est une stratégie alternative aux méthodes sectionnelles et méthodes de moments déjà publiées. Puis, des tailles et des morphologies de suie réalistes seront produites en développant un code d'agrégation basé sur les processus de croissance de surface et d'oxydation / fragmentation, et en tenant compte des conditions locales physiques le long des trajectoires de particules fournies par le calcul CFD. Enfin, les propriétés radiatives des agrégats ainsi modélisés seront déterminées dans les domaines de l’infrarouge et du visible. Les résultats seront mis en œuvre dans des solveurs de transfert radiatif hautement sophistiqués afin d’évaluer avec précision les transferts radiatifs dans la chambre de combustion dus aux gaz brûlés et aux particules de suies. Tous ces développements numériques seront intégrés dans un code de combustion et plusieurs solveurs de rayonnement de précision croissante pour améliorer la prédiction du nombre et de la forme des particules émises dans les applications industrielles, ce qui est l'objectif global d'ASTORIA. De tels développements permettront également de calculer le rayonnement dans le domaine du visible, afin de reproduire numériquement les diagnostics à base de laser tels que la diffusion de la lumière statique, l'extinction de la ligne de visée ou l'incandescence induite par laser. Ceci ouvrira la voie à une comparaison plus directe entre les simulations et les expériences pour une meilleure compréhension et prédiction des émissions de particules. L'amélioration des connaissances et la description des propriétés radiatives des suies augmenteront également la précision des diagnostics basés sur des lasers et des modèles climatiques.
L'ensemble de ces développements seront systématiquement validés dans des flammes documentées de la littérature (base de données LII de flammes académiques, flamme swirlée turbulente avec production de suies ISF3-Target Flame 3) et dans le banc d'essai MICADO qui fait l’objet actuellement d’une campagne de mesures dans le projet H2020 SOPRANO. Une campagne expérimentale additionnelle de diffusion planaire de la lumière laser sera menée dans MICADO pour valider l'approche numérique utilisée pour calculer l'image numérique de la flamme.
ASTORIA réunit quatre partenaires (CERFACS, CORIA? ONERA, RAPSODEE) habitués à collaborer dans des projets de recherche et experts en simulation haute fidélité de la combustion, de la génération d'aggrégats de suies et du rayonnement.

Coordinateur du projet

Madame Eleonore RIBER (STE CIVILE CERFACS)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ONERA ONERA CENTRE DE TOULOUSE
CNRS/RAPSODEE CNRS/CENTRE DE RECHERCHE D'ALBI EN GENIE DES PROCEDES DES SOLIDES DIVISES, DE L'ENERGIE ET DE L'ENVIRONNEMENT
STE CIVILE CERFACS
CORIA COMPLEXE DE RECHERCHE INTERPROFESSIONNEL EN AEROTHERMOCHIMIE

Aide de l'ANR 544 805 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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