Development of a Large scale simulation approach for deflagration
Développement d'une approche par simulation des grandes échelles pour la déflagration
Résumé
This work is part of the simulation of turbulent deflagrations encountered in safety studies for nuclear power plants or industrial plants.Large Eddy Simulation approach is developed allowing a thin description of the flow.The simulation tool developed is used for the study of experimental transients at small and medium scales.In the first part of this thesis, a numerical scheme for the Navier-Stokes equations for compressible non-reactive flows is developed and analysed.The scheme is explicit and based on a second order time discretization (Heun scheme).Staggered discretization is used in space.The scheme is based on the internal energy formulation.High order methods of MUSCL type used in the discrete convective operators allow then to guarantee the positivity of scalar unknowns (density, internal energy and pressure) under CFL condition.Moreover, the scheme is numerically low dissipative, which is essential in the context of large eddy simulation.This scheme is extended to the reactive case with a fractional step technique.The chemical species mass balances are solved with the Strang algorithm decoupling convection and reaction.The associated reaction energy is introduced into the energy balance of Navier-Stokes equations, solved in a second time.Then, a combustion model is developed and used for the study of flows of interest.The combustion is modelled using a virtually thickened flame formalism.A subgrid scale model allow a dynamical determination of the subgrid scale flame wrinkling factors to handle unresolved contributions.Three experimental configurations of accelerated deflagrations in an obstructed semi-confined chamber are investigated.Each configuration differs from the other by the obstacles location.The flame is progressively wrinkled by turbulent motions generated by thermal expansion around obstacles and accelerates.These test cases allow to analyse the combustion model behavior and compare the numerical results to experimental data.The superiority of the wrinkling factor dynamical formulation with respect to the constant one is highlighted.RANS simulations (averaged Navier-Stokes resolution) combined with a combustion description with the so called "G-equation'' have also been performedand support the use of large eddy simulation.
Ce travail s'inscrit dans le cadre de la simulation des déflagrations turbulentes telles que celles rencontrées dans les études de sûreté pour les installations nucléaires ou civiles.Nous y développons une approche par simulation des grandes échelles permettant une description fine de l'écoulement.L'outil de simulation ainsi construit est utilisé dans l'étude de transitoires expérimentaux à petite et moyenne échelle.La première étape de la thèse a porté sur le développement et l'analyse d'un schéma numérique pour les équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles non réactifs.Le schéma est explicite et basé sur une discrétisation en temps du second ordre (schéma d'Heun).La discrétisation enespace est de type mailles décalées.Elle se base sur une formulation en énergie interne.Une discrétisation des opérateurs de convection via une technique de montée en ordre de type MUSCL permet alors de garantir la positivité des variables scalaires(densité, énergie interne et pression) sous condition de CFL.De plus, le schéma est peu dissipatif numériquement, ce qui est primordial dans le contexte de la simulation des grandes échelles.Ce schéma est étendu au cas réactif par une technique de pas fractionnaires.L'équation de conservation des espèces chimiques est résolue dans un premier temps par un algorithme de Strang découplant convection et réaction.L'énergie de réaction associée est introduite dans le bilan d'énergie des équations de Navier Stokes, traitées dans un second temps.Nous développons ensuite un modèle de combustion et l'appliquons à l'étude d'écoulements d'intérêt. La combustion est traitée par un modèle de flamme artificiellement épaissie.Un modèle de sous-maille permet d'ajuster de façon dynamique le plissement de sous-maille, qui disparaît dans l'opération d'épaississement, à partir de la connaissance des champs résolus.Trois configurations expérimentales de déflagrations accélérées par des obstacles en chambre semi-confinée ont été étudiées.Ces configurations diffèrent par la disposition des obstacles qui génèrent la turbulence au passage de l'écoulement induit par l'expansion thermique et promeuvent l'accélération de la flamme.Ces cas ont permis d'analyser le comportement du modèle de combustion et valider ses résultats à partir des données expérimentales.L'étude a également mis en évidence la supériorité de la formulation dynamique du modèle par rapport à l'utilisation d'un paramètre de plissement constant.Des simulations de type RANS (résolution des équations de Navier-Stokes moyennées) où la combustion est décrite par une formulation de type « G-equation » ont également été réaliséeset confortent l'utilisation de la simulation aux grandes échelles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)