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RÉSUMÉ
Après un rappel des enjeux de conception d'une chambre de combustion aéronautique, en particulier du point de vue de la réduction de l'empreinte environnementale du secteur aérien, les phénomènes physiques majeurs qui s'y déroulent seront mis en évidence. Que ces derniers soient liés à l'écoulement gazeux réactif (cinétique, turbulence, combustion), à la phase liquide (atomisation, évaporation) ou aux transferts radiatifs, les principes les plus fondamentaux qui les sous-tendent seront rappelés. Enfin, en s'appuyant sur les nombres adimensionnels appropriés, les principaux régimes rencontrés pour chaque phénomène dans une chambre de combustion aéronautique seront présentés.
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Nicolas Bertier : Ingénieur de recherche - ONERA/DMPE, Université de Toulouse, Toulouse, France
INTRODUCTION
Les chambres de combustion aéronautiques concentrent des exigences en termes de performance et de sécurité, mais sont également au cœur des enjeux de réduction de l’empreinte environnementale du transport aérien (aussi bien du point de vue de la décarbonation que de l’amélioration de la qualité de l’air). Afin d’accompagner l’évolution des technologies utilisées, la simulation numérique joue un rôle de plus en plus important et peut s’appuyer sur des infrastructures de calculateurs toujours plus puissants ainsi que sur les progrès continus de la modélisation physique et du génie logiciel. Si la caractérisation des systèmes d’un point de vue expérimental reste indispensable pour un accès direct aux mécanismes physiques en jeu, la simulation numérique permet sans surcoût significatif un accès à l’ensemble des variables intéressant l’ingénieur (pression, vitesse, température, fractions massiques des différentes espèces, etc.) ainsi qu’à l’intégralité du volume de la configuration étudiée (y compris les zones de l’espace pour lesquelles l’accès à l’aide d’une sonde ou d’un laser serait complexe, voire impossible). De plus, le coût de réalisation d’une simulation numérique d’une chambre de combustion est le plus souvent très largement inférieur à celui de la réalisation d’une campagne d’essais, pour peu que l’on choisisse une modélisation adaptée.
Étant donné l’ampleur du sujet, celui-ci sera traité à travers deux articles de la collection Techniques de l’Ingénieur formant un « tout » cohérent, mais pouvant néanmoins être lus de manière indépendante. Dans ce premier article, les différentes notions nécessaires à la compréhension des grands enjeux de conception pour les chambres de combustion aéronautiques (opérabilité, sécurité, limitation de l’impact environnemental, etc.) seront introduites. Ensuite, les phénomènes physiques majeurs se produisant dans ces dernières (écoulements turbulents réactifs, fragmentation du carburant sous forme de gouttelettes, évaporation, transferts radiatifs) seront décrits de manière synthétique. Enfin, en s’appuyant sur les nombres adimensionnels appropriés, les principaux régimes rencontrés dans une chambre de combustion aéronautique seront mis en évidence pour chaque phénomène.
Ainsi, au terme de cet article, un tableau général du fonctionnement et des principaux phénomènes physiques qui se déroulent dans une chambre de combustion aéronautique aura été brossé, ouvrant la voie au second article [TRP 4 012] « Chambres de combustion aéronautiques – Partie 2 : modélisation et simulation numérique » .
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MOTS-CLÉS
transferts radiatifs flammes chambres de combustion aéronautique turbulence écoulements diphasiques
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3. Conclusion
D’importants progrès scientifiques et technologiques ont été réalisés ces dernières décennies, permettant de concevoir des chambres de combustion aéronautiques toujours plus performantes tout en limitant la production d’espèces chimiques polluantes comme les NOx. Cependant, l’avenir du transport aérien ne peut s’envisager qu’à l’aune de sa décarbonation, excluant de fait l’utilisation d’un carburéacteur d’origine fossile. Ainsi, des transformations profondes vont être nécessaires dans les prochaines décennies, impactant l’aéronef dans son ensemble. Dans ce contexte, la chambre de combustion, soumise à de nombreuses contraintes de conception parfois antagonistes (stabilité et émissions polluantes, par exemple) et fonctionnant dans un environnement particulièrement sévère, concentre de multiples enjeux.
Pour y répondre, il est essentiel de commencer par identifier et comprendre les phénomènes physiques à l’œuvre :
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l’atomisation du carburant, puis son évaporation ;
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la combustion. Suivant le type de chambre considéré et les conditions d’injection relatives à la phase de vol, des structures de flamme de type prémélange, diffusion ou même des flammes triples pourront ainsi être rencontrées ;
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le rayonnement, dont la prise en compte est indispensable lorsque l’on s’intéresse aux transferts thermiques au niveau des parois, en particulier lorsque celles-ci sont protégées par un film d’air (cas des parois multiperforées) ;
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la turbulence, enfin, interagissant avec l’ensemble des autres phénomènes en favorisant l’atomisation du carburéacteur et le mélange entre réactifs, tout en augmentant significativement le dégagement de chaleur par unité de volume produit par la flamme.
Cette compréhension des phénomènes physiques ouvre également la voie à la modélisation et la simulation numérique des chambres de combustion aéronautiques. Ces aspects sont abordés dans un second article intitulé « Chambres de combustion aéronautiques – Partie 2 : modélisation et simulation numérique » ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CUMPSTY (N.) - Jet propulsion (second edition). - Cambridge university press (2003).
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(2) - ICAO, Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP) - * - https://www.icao.int/environmental-protection/Pages/Caep.aspx
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(3) - LEFEBVRE (A.H.), BALLAL (D.R.) - Gas turbine combustion, third edition. - CRC Press, Taylor and Francis Group (2010).
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(4) - LUCHE (J.) - Obtention de modèles cinétiques réduits de combustion : application à un mécanisme du kérosène. - PhD thesis Université d’Orléans (2003).
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(5) - BORGHI (R.), DESTRIAU (M.) - La combustion et les flammes. - Éditions Technip (1995).
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(6) - POINSOT (T.), VEYNANTE (D.) - Theorical and numerical combustion. - Edwards...
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