LES of Rotating Detonation Engines : sensitivity and Physics - Thèses de Toulouse INP
Thèse Année : 2024

LES of Rotating Detonation Engines : sensitivity and Physics

LES des moteurs à détonation rotative : sensibilité et physique

Résumé

To increase the efficiency of thermal engines, new pressure-gain combustion systems are the subject of extensive studies over the last years. Rotating Detonation Engines (RDE) constitute an example of such systems, where a self-sustained detonation continuously consumes fuel in a typically annular combustion chamber. Experimental investigation of these engines is extremely difficult, hence numerical methods are used to further explore the processes governing these types of engines. A powerful tool to analyse the flow in Rotating Detonation Engines are Large Eddy Simulations (LES), but literature has shown that their implementation is not straightforward. Various groups use simplifications (e.g. perfect premixing, geometrical 2D representations of the chamber) and numerical high-fidelity analysis comparing mixing assumptions, numerical schemes or chemical schemes in full scale configurations are not commonly found in literature.This thesis investigates strategies for 3D LES of a full RDE tested at TU Berlin and the influence of various modelling parameters on the simulation results. This is done by first deriving a reliable 1-step chemical scheme for the correct prediction of detonation and deflagration properties. Second a reliable initialization procedure is developed and two postprocessing indices for evaluating the mixture quality (I_mix) and the detonation efficiency (I_det) are introduced to further quantify the results of the simulations.Results confirm that mixing plays a significant role in the performance of RDEs and must be accurately reproduced in LES the capture the essential features of RDEs. The manuscript also highlights the impact that the chemical and numerical schemes can have on the detonation dynamics inside RDEs. Finally, the simulations show the importance of deflagration in the overall RDE combustor, implying that chemistry models need to account for deflagration properties as well as for detonation to capture the efficiency of RDEs and reveal that all cases lose a high amount of fuel to non-detonative combustion.Based on the sensitivity study, a numerical master setup is designed and simulations are performed. The results are validated by comparing the experimental detonation wave speed and estimated pressure gain. The LES overpredicts the experimental detonation wave speed by 21%. The LES also confirms the absence of pressure gain in the TUB configuration.This thesis shows that LES can be used to understand the dynamics and stabilization mechanisms as well as overall performance of RDE systems. However, it also highlights the current limitations of the method and the many areas where the LES community has to shift the focus on for predictive LES of RDEs.
Afin d'accroître l'efficacité des moteurs thermiques, de nouveaux systèmes de combustion à gain de pression ont fait l'objet d'études approfondies au cours des dernières années. Les moteurs à détonation rotative (RDE) constituent un exemple de ces systèmes, où une détonation auto-entretenue consomme continuellement du carburant dans une chambre de combustion typiquement annulaire. L'étude expérimentale de ces moteurs est extrêmement difficile, c'est pourquoi des méthodes numériques sont utilisées pour explorer davantage les processus régissant ces types de moteurs. Les simulations de grandes turbulences (LES) constituent un outil puissant pour analyser l'écoulement dans les moteurs à détonation rotatifs, mais la littérature a montré que leur mise en œuvre n'est pas simple. Différents groupes utilisent des simplifications (par exemple, prémélange parfait, représentations géométriques en 2D de la chambre) et l'analyse numérique de haute fidélité comparant les hypothèses de mélange, les schémas numériques ou les schémas chimiques dans des configurations à échelle réelle n'est pas couramment trouvée dans la littérature.Cette thèse étudie les stratégies de LES 3D d'un RDE complet testé à l'Université technique de Berlin et l'influence de divers paramètres de modélisation sur les résultats de la simulation. Pour ce faire, un schéma chimique fiable en une étape est d'abord élaboré pour la prédiction correcte des propriétés de détonation et de déflagration. Ensuite, une procédure d'initialisation fiable est développée et deux indices de post-traitement pour évaluer la qualité du mélange (I_mix) et l'efficacité de la détonation (I_det) sont introduits pour quantifier davantage les résultats des simulations. Les résultats confirment que le mélange joue un rôle important dans la performance des RDE et qu'il doit être reproduit avec précision dans les LES afin de capturer les caractéristiques essentielles des RDE. Le manuscrit met également en évidence l'impact que les schémas chimiques et numériques peuvent avoir sur la dynamique de détonation à l'intérieur des RDE. Enfin, les simulations montrent l'importance de la déflagration dans l'ensemble de la chambre de combustion RDE, ce qui implique que les modèles chimiques doivent tenir compte des propriétés de déflagration ainsi que de la détonation pour capturer l'efficacité des RDE et révèlent que tous les cas perdent une grande quantité de carburant dans la combustion non-détonante.Sur la base de l'étude de sensibilité, une configuration numérique principale est conçue et des simulations sont effectuées. Les résultats sont validés en comparant la vitesse expérimentale de l'onde de détonation et le gain de pression estimé. La LES surestime la vitesse de l'onde de détonation expérimentale de 21 %. La LES confirme également l'absence de gain de pression dans la configuration TUB.Cette thèse montre que la LES peut être utilisée pour comprendre la dynamique et les mécanismes de stabilisation ainsi que la performance globale des systèmes RDE. Cependant, elle met également en évidence les limites actuelles de la méthode et les nombreux domaines sur lesquels la communauté LES doit se concentrer pour la LES prédictive des RDE.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04715812 , version 1 (01-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04715812 , version 1

Citer

Patrick Strempfl. LES of Rotating Detonation Engines : sensitivity and Physics. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université de Toulouse, 2024. English. ⟨NNT : 2024TLSEP073⟩. ⟨tel-04715812⟩
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