Towards eulerian-eulerian large eddy simulation of reactive two-phase flows

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des ecoulements gaz-particules. On peut citer, entre autres, les turbines aeronautiques et les reacteurs a lit fluidise de l’industrie chimique. Des lors, l’amelioration de ces dispositifs, imposee par les nouvelles normes europeennes sur les emissions polluantes, necessite une connaissance predictive de la dynamique de ce type d’ecoulements ainsi que l’evaluation de ses grandeurs caracteristiques telles que la segregation spatiale des particules. La simulation numerique est aujourd’hui largement utilisee a cet effet. Les equations de la phase gazeuse sont resolues par Simulation Numerique Directe (SND) ou par Simulation des Grandes Echelles (SGE). Le couplage avec la phase dispersee peut etre envisage de deux manieres. Une premiere approche, dite lagrangienne, consiste a calculer les trajectoires des particules. Communement utilisee et precise, son cout numerique ne permet cependant pas d’envisager son application a des geometries complexes realistes. Une seconde approche est fondee sur un formalisme eulerien du mouvement des particules, le couplage entre les deux phases est alors assure par des termes d’echange interfacial. Cette methode a d’ores et deja ete validee pour des particules dont le temps de reponse est faible compare a la micro-echelle de temps turbulent. L’extension de cette approche a des particules plus inertielles s’avere necessaire dans les applications industrielles de type turbines a gaz. Ceci constitue l’objectif principal de cette these. Les resultats fournis par l’approche lagrangienne suggerent de decomposer la vitesse des particules en une composante correlee et une composante decorrelee. En outre, il apparait que l’energie decorrelee seleve a 30% de l’energie totale de la phase dispersee lorsque le temps de relaxation des particules et l’echelle de temps lagrangienne sont du meme ordre. La prise en compte de ce mouvement decorrele requiert l’introduction d’un tenseur de contraintes dans l’equation de quantite de mouvement. Ce travail propose differents modeles qui sont valides au travers de simulations numeriques euleriennes par comparaison avec des SND lagrangiennes. Enfin, une etude du couplage entre les equations de transport des particules et des modeles de combustion est proposee. ABSTRACT : Particle laden flows occur in industrial applications ranging from droplets in gas turbines to fluidized bed in chemical industry. Prediction of the dispersed phase properties such as concentration and dynamics are crucial for the design of more efficient devices that meet the new pollutant regulations of the European community. Numerical simulation coupling Lagrangian tracking of discrete particles with DNS or LES of the carrier phase provide a well established powerful tool to investigate particle laden flows. Such numerical methods have the drawback of being numerically very expensive for practical applications. Numerical simulations based on separate Eulerian balance equations for both phases, coupled through inter-phase exchange terms might be an effective alternative approach. This approach has been validated for the case of tracer particles with very low inertia that follow the carrier phase almost instantaneously due to their small response time compared with the microscale time scales of the carrier phase. Objective of this thesis is to extend this approach to more inertial particles that occur in practical applications such as fuel droplets in gas turbine combustors. Existing results suggest a separation of the dispersed phase velocity into a correlated and an uncorrelated component. The energy related to the uncorrelated component is about 30% of the total particle kinetic energy when the particle relaxation time is comparable to the Lagrangian integral time scale. The presence of this uncorrelated motion leads to stress terms in the Eulerian balance equation for the particle momentum. Models for this stress terms are proposed and tested. Numerical simulations in the Eulerian framework are validated by comparison with simulations using Lagrangian particle tracking. Additionally coupling of the Eulerian transport equations for the particles to combustion models is tested.