Modélisation et simulation de la combustion turbulente d’un biogaz à l’aide d’une cinétique réduite dans le code openfoam

Abstract

En général, les mécanismes détaillés des réactions chimiques de combustion, demandent des temps de processeur encore élevés au cours des simulations, pour nos ordinateurs actuels. Pourtant, les gains en temps de calculs, tout en gardant la précision lors de la conception numérique de nouvelles chambres à combustion sont des dé s majeurs. A n d’accélérer le traitement de la cinétique chimique, cette thèse vient s’inscrire dans la contribution à l’amélioration d’une méthode de réduction des mécanismes. Dans ce travail, le modèle de réduction développé est appliqué à la modélisation de la combustion turbulente du méthane, puis du biogaz, proposé comme substituant du méthane (gaz naturel) dans le code "Computational Fluid Dynamics" (CFD), "Open Fields Operation And Manipulation" (OpenFOAM). La méthode mise à contribution, est un algorithme de réduction multi-étapes, appliqué au couplage des méthodes "Directed Relation Graph" (DRG) et "DRGAided Sensitivity Analysis" (DRGASA) en quatre étapes. Cette approche consiste à obtenir des mécanismes de réactions simpli és et compacts ; c’est à dire taillés selon les conditions initiales et aux limites de la amme. Trois ammes expérimentales ont été choisies à l’e et de valider les mécanismes simpli és de la méthode de réduction, à savoir : la amme DLR-A, la ammeD, toutes deux de Sandia et la amme OXYFLAM-2Ade l’IFRF (International Flame Research Foundation). Le mécanisme de cinétique chimique détaillé, utilisé est celui du "Gas Research Institute" version 3.0 pour la combustion du gaz naturel, nommé GRI-Mech 3.0 (51 espèces et 325 réactions). En allant du GRI 3.0, la méthode de réduction développée, permet d’obtenir : (i) pour la amme DLR-A, un mécanisme de type C2, de 21 espèces et 51 réactions, (ii) pour la amme D, un mécanisme de type C2, de 20 espèces et 47 réactions et (iii) pour la amme OXYFLAM-2 A un mécanisme de type C2, de 21 espèces et 39 réactions. Ainsi, le pourcentage de réduction est en moyenne de 79,14%. Le couplage entre la chimie et la turbulence est fait à l’aide des modèles de combustion tels que : "Partialy Stired Reactor" (PaSR), "Eddy Dissipation Concept" (EDC) et "Steady Laminar Flamelet Model" (SLFM). Les modèles k-€ et P-1 sont utilisés pour la prise en compte de la turbulence et du rayonnement. En outre, le modèle de turbulence LES (Smagorinsky) est testé dans un cas de la flamme D. Les performances des mécanismes chimiques avec différentes espèces et réactions élémentaires dérivés du GRI-Mech 3.0 sont évaluées et montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. Leurs mises en œuvre lors des simulations permet des temps de calculs assez raisonnables. Une fois les mécanismes C2 de la méthode multi-étape validés, leurs applications à la combustion turbulente des biogaz sont effectuées dans les configurations des flammes expérimentales. Ces biogaz constitués de CH4 et de CO2 à différentes proportions sont issus de la digestion anaérobique de la bouse de vache, des lisiers de mouton et des lisiers de porc. Au fur et à mesure que la proportion du CH4 dans le biogaz diminue, cela entraîne une réduction du temps de séjour, du temps de mélange et de la vitesse de réaction du combustible lors de la combustion. On observe donc une réduction de la longueur de la flamme et une chute rapide de la température. En raison des températures un peu moins élevées par rapport à celles du gaz naturel, les flammes de biogaz riches en CO2, ont pour avantage de produire moins de polluants tels que le CO et le NO.