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Modélisation de la formation des suies et des transferts radiatifs pour les technologies de chambres de combustion aéronautiques à faibles émissions polluantes – SMART-LECT

SMART-LECT

Le projet SMART-LECT doit permettre d'améliorer la capacité des plates-formes logicielles de type industriel à prédire les émissions d'oxydes d'azote et de particules de suie produits dans les foyers aéronautiques, via une prise en compte appropriée des transferts radiatifs, réalisée en conjonction avec la mise en œuvre de modèles plus précis, dédiés à la formation de ces deux polluants minoritaires majeurs. <br />

EMISSIONS DE NOx DE SUIE ET DETERMINATION DU CHAMP DE TEMPERATURE

La connaissance précise du champ de température au sein d'un foyer aéronautique constitue un préalable à une détermination améliorée des émissions de polluants minoritaires majeurs que constituent, les oxydes d'azote et les suies. Pour ce faire, il est indispensable d'étudier ces émissions de polluants en présence de rayonnement thermique. C’est l’objectif scientifique à la fois ambitieux et réaliste abordé dans SMART-LECT via le développement d'approches théoriques et numériques.

Une attention particulière est portée à la validation des outils numériques développés dans le cadre du projet, soit par comparaison des résultats numériques obtenus en mettant en œuvre des modèles théoriques ou des techniques numériques distinctes, soit en comparant ces résultats numériques à ceux issus de bases de données expérimentales disponibles. Il est à noter que cette validation qui concerne autant le rayonnement que la combustion en chimie complexe, est d'abord réalisée sur des cas-tests académiques avant d'être étendue à des écoulements réactifs plus complexes, mais aussi plus représentatifs des applications pratiques.

1 - Les nouvelles bases de données spectroscopiques ont été exploitées en vue de générer les spectres à haute résolution constituant les données d’entrées nécessaires à la construction des modèles de rayonnement.

2 - Parallèlement, les travaux de modélisation de la combustion en chimie complexe pour appréhender la formation des suies et des NOx, ont été engagés. Il s'agit de rechercher des modèles phénoménologiques à la fois simples et précis permettant d'améliorer le niveau de prédiction des émissions de ces polluants minoritaires majeurs, tout en demeurant compatibles avec les approches de type L.E.S.

3 - Un travail préparatoire a été mené sur les solveurs de transferts radiatifs (ASTRE et PRISSMA) en prévision de l'implémentation prochaine du modèle de rayonnement NB-MSR-SLMB.

Pour la prochaine période, l'activité concernera :

1 - L'implémentation du modèle de rayonnement NB-MSR-SLMB dans les deux plateformes logicielles [AVBP-PRISSMA] et [ASTRE-CEDRE],

2 - Le développement des modèles de formation des NOx et des suies et leur évaluation sur des flammes académiques.

3 - La détermination d'un cas test plus applicatif, bénéficiant d'une base de données la plus complète possible du point de vue de la problématique abordée dans SMART-LECT et la mise en œuvre des premières simulations numériques sur la configuration ainsi choisie.

Des publications scientifiques communes sont bien entendu prévues, mais a ce stade du projet, qui n'en est aujourd'hui que dans sa phase de démarrage, elles ne pourront se concrétiser 'immédiatement.

L’objectif du projet SMART-LECT est de mettre en commun et de consolider les compétences scientifiques acquises sur le plan national dans le domaine de la compréhension et de la caractérisation des mécanismes physicochimiques qui interagissent dans les foyers de combustion de type aéronautique. Ce projet de recherche – qui doit contribuer à améliorer les plateformes logicielles à caractère multiphysique classiquement utilisées par les différents acteurs du secteur aéronautique – s’inscrit dans la démarche engagée conjointement par les motoristes et les organismes de recherche afin d’assurer un meilleur contrôle des émissions polluantes produites par l’activité aérienne civile et militaire. Ceci concerne aussi bien l’amélioration des moteurs en service que de ceux à venir.

Ce projet est à caractère théorique et numérique. Il est fondé sur le développement et la validation de modèles avancés, dédiés à la représentation des émissions d’oxydes d’azote (NOx) et des processus de formation des suies, en présence de transferts radiatifs. Il doit notamment contribuer à améliorer la précision du calcul de la température au sein des foyers, paramètre au cœur des couplages entre les différents mécanismes de production de ces espèces. Ceci constitue aussi un enjeu majeur, du point de vue industriel, puisqu’il a un impact significatif sur la durée de vie des parties chaudes des moteurs.

Un des aspects importants et originaux du projet sera la réalisation, sur la géométrie d’un secteur de chambre industrielle réelle, de simulations numériques croisées, à l’aide d’outils de calcul disponibles au CERFACS et à l’ONERA, de type Simulations aux Grandes Echelles (SGE), couplées au rayonnement et à la chimie détaillée des polluants. Les résultats de ces modélisations seront confrontés à des données expérimentales via l’exploitation de mesures mises à la disposition des partenaires du projet par l’ONERA (et obtenues dans le cadre du programme TLC).
A l’issue du projet SMART-LECT, des outils de simulation d’écoulement instationnaires réactifs et turbulents, bénéficiant de modélisations avancées en termes de prise en compte de la chimie complexe de formation des suies et des oxydes d’azote et de couplage avec les transferts radiatifs, auront été mis en place et confrontées à des données expérimentales. Un des challenges de l’étude sera de construire des modules logiciels permettant d’accéder à une représentation précise de ces phénomènes, tout en demeurant compatibles avec les contraintes industrielles en termes de coût de calcul et d’occupation mémoire (l’espace mémoire est souvent limité lorsque des machines massivement parallèles sont utilisées pour traiter ce type de problème).


Coordinateur du projet

Monsieur Daniel GAFFIÉ (ONERA) – Daniel.Gaffie@onera.fr

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

CETHIL CETHIL Centre de Thermique de Lyon
ONERA ONERA
CERFACS CERFACS
ARMINES ARMINES - RAPSODEE

Aide de l'ANR 597 984 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 48 Mois

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