Large-Eddy Simulation of combustion in gas turbines - IFPEN - IFP Energies nouvelles
Theses Year : 2022

Large-Eddy Simulation of combustion in gas turbines

Modélisation LES de la combustion dans les turbomachines

Aleksandra Rezchikova
  • Function : Author
  • PersonId : 1433608
  • IdRef : 265722632

Abstract

Constantly growing air traffic and strict environmental regulations require to improve modern propulsion systems. Currently, civil aircraft are powered by gas turbines, where fuel is injected in a liquid form to ensure their safe operation. Computational fluid dynamics (CFD) plays an essential role in developing gas turbine combustors since numerical simulations are much cheaper than costly experimental tests. Therefore, the accurate simulation of two-phase flow combustion is crucial for designing aeronautical combustion chambers. In order to gain insight into the complex interactions between the flame, the flow, and the liquid phase, the present work addresses combustion modeling for Large Eddy Simulation (LES) of turbulent two-phase flows.Typically used LES cell sizes are larger than the flame thickness. Since the combustion usually takes place at the sub-grid level, it requires specific treatment. The Thickened Flame Model (TFM) is one of the robust and well-known approaches to compute turbulent flames. To resolve a flame on the LES grids, TFM applies an artificial flame front thickening while preserving the flame speed. TFM coupled to Adaptive Mesh Refinement (AMR) provides high accuracy results without prohibitive computational costs and results in the TFM-AMR modeling approach investigated in this work.TFM has been initially designed for premixed flames, which are not always representative of the combustion taking place in sprays. Additionally, the evolution of liquid fuel droplets is tracked within a Lagrangian framework separately from the gaseous phase. Therefore, the modeling approach has to be adapted to include the effect of mean phase thickening on the dispersed phase to ensure correct spray evaporation and propagation. The existing approaches of extending the TFM onto two-phase flows are investigated first. These are explored in the context of TFM-AMR and validated on the different spray flame configurations, including two well-characterized spray burners operated at ambient conditions. The TFM-AMR extension on two-phase flames demonstrated a good potential in computing spray flames. In particular, it is shown to reproduce the lean blowout of a laboratory scale burner well. However, the existing modeling approach required additional adjustments when computing complex and spray flame configurations since TFM is based on tabulated premixed flame properties, which can significantly deviate in such cases.Therefore, a new modeling approach is proposed which does not require the use of tabulated properties of premixed flames and, thus, is better adapted for the two-phase computations. The validation tests performed on the simple one-dimensional flame configurations and two spray burners demonstrate promising results. Nevertheless, the proposed modeling strategy requires further investigation in the context of spray burners operated at high temperatures and pressures.
L’augmentation constante du trafic aérien et les réglementations environnementales strictes exigent d’améliorer les systèmes de propulsion modernes. Actuellement, les avions civils sont propulsés par des turbines à gaz, où le carburant est injecté sous forme liquide pour assurer leur fonctionnement en toute sécurité. La mécanique des fluides numérique (CFD, "Computational Fluid Dynamics") joue un rôle essentiel dans le développement des chambres de combustion des turbines à gaz, car les simulations numériques sont beaucoup moins coûteuses que les essais expérimentaux. Par conséquent, la simulation précise de la combustion en écoulement diphasique est cruciale pour la conception des chambres de combustion aéronautiques. Afin de mieux comprendre les interactions complexes entre la flamme, l’écoulement et la phase liquide, le présent travail porte sur la modélisation de la combustion pour les simulations aux grandes échelles (LES, "Large Eddy Simulation") d’écoulements diphasiques turbulents. Les tailles de cellule LES généralement utilisées sont supérieures à l’épaisseur de la flamme. Comme la combustion a généralement lieu au niveau de la sousmaille, elle nécessite un traitement spécifique. Le modèle de flamme épaissie (TFM, "Thickened Flame Model") est l’une des approches robustes et bien connues pour calculer les flammes turbulentes. Pour résoudre une flamme sur les mailles LES, le modèle TFM applique un épaississement artificiel du front de flamme tout en préservant la vitesse de la flamme. Le modèle TFM couplé au raffinement de maillage adaptatif (AMR, "Adaptive Mesh Refinement") fournit des résultats de haute précision sans coûts de calcul prohibitifs et donne lieu à l’approche de modélisation TFM-AMR étudiée dans ce travail. Le modèle TFM a été initialement conçu pour des flammes prémélangées, qui ne sont pas toujours représentatives de la combustion ayant lieu dans les sprays. De plus, l’évolution des gouttelettes de combustible liquide est suivie dans un cadre lagrangien séparément de la phase gazeuse. Par conséquent, l’approche de modélisation doit être adaptée pour inclure l’effet de l’épaississement de la phase moyenne sur la phase dispersée afin de garantir une évaporation et une propagation correctes du spray. Les approches existantes de l’extension du modèle TFM aux écoulements diphasiques sont d’abord examinées. Elles sont explorées dans le contexte du TFMAMR et validées sur les différentes configurations de flamme diphasique, y compris deux brûleurs bien caractérisés fonctionnant dans des conditions ambiantes. L’extension TFMAMR sur les flammes diphasiques a démontré un bon potentiel dans les calculs. En particulier, il a été démontré qu’elle reproduit bien l’extinction de la flamme d’un brûleur à l’échelle du laboratoire. Cependant, l’approche de modélisation existante nécessitait des ajustements supplémentaires lors du calcul de configurations de flammes complexes et diphasiques, car TFM est basé sur des propriétés de flamme prémélangée tabulées, qui peuvent s’écarter considérablement dans de tels cas. Par conséquent, une nouvelle approche de modélisation est proposée, qui ne nécessite pas l’utilisation des propriétés tabulées des flammes prémélangées et qui est donc mieux adaptée aux calculs diphasiques. Les tests de validation effectués sur les configurations de flammes simples unidimensionnelles et sur deux brûleurs à diphasiques montrent des résultats prometteurs. Néanmoins, la stratégie de modélisation proposée nécessite une étude plus approfondie dans le contexte des brûleurs diphasiques fonctionnant à des températures et des pressions élevées.
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tel-04756893 , version 1 (28-10-2024)

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  • HAL Id : tel-04756893 , version 1

Cite

Aleksandra Rezchikova. Large-Eddy Simulation of combustion in gas turbines. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST126⟩. ⟨tel-04756893⟩
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