Simulation aux grandes échelles de la combustion diluée dans un four de 30kW
Marie Cordier1, ⋆, Alessio Pappa1, Pierre Bénard2, Paul Lybaert1, Véronique Feldheim1, Laurent Bricteux1
⋆ : marie.cordier@umons.ac.be
1 UMONS, 2 Normandie Univ, INSA Rouen, UNIROUEN, CNRS, CORIA
Mots clés : Combustion diluée, Combustion sans flamme, Simulation aux grandes échelles, Four industriel.
Résumé :
Dans le contexte environnemental actuel, il est pertinent que les industries développent des technologies qui visent à réduire les émissions polluantes. La combustion diluée, aussi appelée combustion sans flamme, est un régime de combustion qui permet de réduire significativement les émissions d’oxydes d’azote. Il est donc intéressant d’envisager la modification du design des brûleurs et des chambres de combustion pour passer d’une combustion standard à une combustion diluée. De telles modifications doivent être préalablement appuyées par la réalisation de simulations numériques. L’objectif de la recherche présentée est de développer et valider une méthodologie pour simuler l’écoulement réactif dans des fours industriels fonctionnant en combustion diluée. Plus précisément, cette étude a pour but de montrer la possibilité d’obtenir des résultats « haute-fidélité » de fours en utilisant la simulation aux grandes échelles.
La simulation numérique de la combustion est très complexe car elle fait intervenir plusieurs phénomènes : turbulence, chimie et rayonnement. Actuellement, la finesse des maillages ne permet pas de résoudre directement ces phénomènes en appliquant les équations adéquates. Des modèles sont donc généralement utilisés pour compenser la partie non résolue de l’écoulement, de la combustion et du rayonnement. En ce qui concerne l’écoulement, plusieurs niveaux de modélisation de la turbulence existent. La RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ne tient pas compte du caractère instationnaire de l’écoulement et modélise l’effet de toutes les échelles de turbulence. Entre l’application directe des équations de Navier-Stokes (DNS) et la RANS, il existe un intermédiaire qu’est la simulation aux grandes échelles (LES – Large Eddy Simulation). En LES, le maillage permet de résoudre les plus grandes échelles de la turbulence et un modèle de sous-grille modélise l’effet des petites échelles. Jusqu’à présent, la littérature montre que la RANS a principalement été utilisée pour la simulation numérique de fours industriels. En combustion diluée, elle a permis de mieux comprendre le fonctionnement de ce type de combustion mais présente certaines limitations quant à la prédiction de la forme et de la localisation de la zone réactionnelle ainsi qu’à l’obtention des bons niveaux de températures. Par ailleurs, l’augmentation constante des ressources de calcul a permis le développement de l’utilisation de LES. C’est la raison pour laquelle, nous proposons de passer d’une modélisation RANS à une approche LES, et d’étudier l’amélioration des résultats numériques.
Dans cette étude, des simulations LES sont réalisées afin de déterminer l’écoulement réactif dans un four de 30 kW, alimenté au gaz naturel et fonctionnant en combustion diluée. Bien qu’il s’agisse d’un four de laboratoire, sa configuration est proche d’un four industriel (design du brûleur, importante recirculation des fumées, présence d’une charge, et préchauffage de l’air). Le code YALES2 [1], est utilisé pour ses schémas de discrétisation d’ordre élevé en temps et en espace, et pour ses bonnes performances en calcul parallèle. La méthodologie développée consiste à appliquer le modèle de Smagorinsky dynamique comme modèle de sous grille, une approche « Finite Rate Chemistry » combinée à un mécanisme réactionnel CH4/Air incluant 24 espèces, et une méthode aux ordonnées discrètes pour le rayonnement. Les résultats LES sont comparés aux mesures expérimentales, d’une part, et aux résultats RANS, d’autre part, tous deux obtenus par D. Lupant. L’influence de la modélisation de l’interaction chimie-turbulence et celle du rayonnement sont également étudiées.
[1] V. Moureau, P. Domingo, L. Vervisch. Comptes Rendus Mécanique. 339 (2-3) (2011) 141-148.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-119
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