Modélisation des phénomènes diphasiques dans les injecteurs aéronautiques de type Airblast

Carmona, Julien

Auteur moral
Cuenot, Bénédicte ; Boivin, Pierre
Editeur
Institut National Polytechnique de Toulouse
Année de publication
2021
Résumé
<p align="justify">Le secteur aéronautique se doit aujourd'hui de réduire ses émissions polluantes et sa consommation de carburants fossiles afin de proposer des moteurs compatibles avec des normes environnementales de plus en plus exigeantes. De nouvelles technologies basées sur le concept de combustion pauvre et garantissant un rendement de combustion élevé tout en limitant la production de polluants tels que les oxydes d'azote ou le monoxyde de carbone ont ainsi vu le jour. Celles-ci sont néanmoins plus sensibles aux instabilités de combustion et le système d'injection de carburant joue alors un rôle central dans le maintien de la stabilité de la flamme. De par leur capacité à offrir des performances constantes dans une gamme importante de conditions de fonctionnement, les injecteurs de type Airblast suscitent particulièrement l'intérêt des motoristes. Dans ce type d'injecteur, le carburant est introduit de façon à former un film liquide mince qui ruisselle ensuite jusqu'au bout de la lèvre d'un diffuseur, où il est enfin atomisé en fines gouttelettes. Lors de cette thèse, nous avons cherché à étudier les phénomènes physiques en jeu dans ces injecteurs, et à développer des outils numériques pour faciliter leur caractérisation. Pour atteindre ces objectifs, une méthodologie permettant de réaliser des simulations numériques directes de configurations académiques a tout d'abord été proposée. Celle-ci fut ensuite appliquée pour étudier précisément la dynamique du film liquide et du processus d'atomisation primaire dans deux configurations différentes, avec une méthode Volume Of Fluid et du solveur incompressible NGA. En parallèle, une alternative moins couteuse, basée sur un ensemble de modèles phénoménologiques, a été développée au sein du solveur Lagrangien du code compressible AVBP. Cette dernière permet de prédire la dynamique de l'atomisation du liquide en fonction de la configuration de l'écoulement. Une part importante des travaux a consisté à développer et intégrer le modèle Automatic-PAMELA (Primary Atomization Model for prEfilming airbLAst injectors) qui offre une formulation locale et une détermination automatique des grandeurs d'entrée du modèle d'atomisation primaire PAMELA de Chaussonnet (2016). Une fois validée sur une configuration expérimentale académique, la méthodologie phénoménologique a ensuite été appliquée sur une configuration industrielle d'injecteur aéronautique de type Airblast et a, là encore, permis de retrouver les caractéristiques du spray. Bien que très efficace, cette approche souffre néanmoins d'une plage de validité restreinte limitant son utilisation à une gamme de topologies d'écoulements où les phénomènes physiques en jeu sont bien connus. Pour pallier cette limitation, une méthode diphasique basée sur une approche multifluides aux interfaces diffuses a donc, dans un troisième temps, été développée au sein du code compressible AVBP. Elle repose sur la combinaison d'un modèle à quatre équations décrivant le comportement des différents fluides, et d'une fermeture thermodynamique Noble-Able-Stiffened-Gas capable de représenter l'évolution thermodynamique en phase gazeuse et liquide. Pour éviter la diffusion numérique des forts gradients au niveau de l'interface tout en assurant la stabilité du calcul, un schéma numérique de Godunov base sur une résolution des problèmes de Riemann par un solveur HLLC et adapte a une formulation "nodecentered" a été intégré dans le code AVBP. Un important travail algorithmique a, en particulier, été mené pour implémenter une méthodologie de reconstruction MUSCL dans un contexte parallèle et ainsi, assurer une précision du schéma a l'ordre deux. Après une validation sur des cas 1D et 2D, la méthode a, finalement, été utilisée pour réaliser des simulations 2D d'un film liquide cisaillé et d'un processus d'atomisation Airblast avec préfilmeur illustrant ainsi sa capacité à simuler des phénomènes physiques proches de ceux rencontrés dans les configurations d'injecteurs ciblées</p>

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