Etude numérique d’un écoulement annulaire turbulent à différents rapports de diamètres

Abstract

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une analyse approfondie du comportement des écoulements annulaires turbulents, en mettant l'accent sur la caractérisation des régions de mélange et de recirculation, afin de contrôler correctement la taille de la zone de recirculation initiale, de favoriser le mélange réactif et de stabiliser la flamme dans les chambres de combustion. Ce travail est réalisé en deux parties, une étude numérique d'un jet annulaire simple et d'un double jet annulaire, les deux jets sont semi-confinés et axisymétriques. La première partie présente une étude détaillée d'un jet annulaire pour trois rapports de diamètres différents, le rapport de diamètres le plus faible (r = 0,701), le rapport de diamètres intermédiaire (r = 0,82) et le rapport de diamètres le plus élevé (r = 0,905). La simulation numérique a été réalisée à l'aide d’un code de calcul CFD, qui discrétise le domaine de solution en éléments quadrilatéraux et utilise une méthode numérique des volumes finis couplée à un schéma de résolution multi grille. Cette recherche décrit les applications du modèle de contrainte de Reynolds (RSM) à la prédiction d'un écoulement turbulent dans un jet annulaire. Les équations régissant l'écoulement sont résolues à l'aide d'un algorithme SIMPLE. Les résultats des profils de vitesse axiale prédits sont comparés aux données expérimentales. Les calculs indiquent que les résultats prédits par le modèle RSM sont en bon accord avec les expériences. La deuxième partie présente une étude numérique d'un double jet annulaire pour différents nombres de Reynolds (6683, 8874 et 11065). La modélisation est réalisée à l'aide d'un code de calcul CFD utilisant deux modèles de turbulence k-epsilon et SST k-ω. Les équations différentielles discrétisées régissant l'écoulement sont résolues par la méthode des volumes finis en utilisant l'algorithme de la méthode semi-implicite pour les équations liées à la pression. Les résultats ont révélé l'existence de trois zones de recirculation séparées par les jets annulaires. La première, une zone minuscule, est située entre les deux jets annulaires. La deuxième, une zone de taille moyenne, se trouve juste derrière la buse, près de l'axe d'injection, sous le jet primaire. La troisième, une grande zone, est située près de la paroi supérieure de la chambre de combustion. Il a été observé que la taille de la petite zone de recirculation initiale présentait une variation négligeable avec les changements du nombre de Reynolds. Cependant, la deuxième zone de taille moyenne a subi des modifications notables avec le nombre de Reynolds. La troisième grande zone a généré un tourbillon toroïdal étendu à des nombres de Reynolds plus élevés. Ces zones de recirculation offrent un potentiel de contrôle pour optimiser le mélange air-carburant, dans le but d'obtenir une combustion presque parfaite tout en minimisant les émissions polluantes. Les résultats de la simulation numérique ont généralement montré une forte concordance avec les résultats expérimentaux.