Observer, Analyser, Modéliser, dans les milieux fluides complexes

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3 Observer, Analyser, Modéliser, dans les milieux fluides complexes Colloque organisé par l Ecole Généraliste d Ingénieurs de Marseille, avec l IRPHE et le LMA, en l honneur de Roland Borghi à l occasion de ses 60 ans En l'honneur et à l'occasion des 60 ans du Professeur Roland Borghi, Directeur de la recherche à l'egim, l'ecole a organisé ce colloque dans ses locaux. Ce colloque a souhaité rassembler les personnalités scientifiques avec lesquelles, dans son trajet de chercheur, Roland Borghi a partagé questionnements, réflexions, travaux,... et complicité. On s est proposé, dans ce colloque, de se souvenir de situations où la conjonction de l'observation, l'analyse réfléchie, et la modélisation ont conduit à des avancées scientifiques intéressantes, et de s'en inspirer pour mettre en avant de nouvelles idées, utilisant ces approches, pour des problèmes encore ouverts. Au cours des présentations et des discussions, chacun a donc été libre d oser dire des choses non encore entièrement validées ou arrivées à maturation. Nous avons été très heureux que de nombreux chercheurs, français et étrangers, aient répondu favorablement à cette initiative et qu'ils y aient apporté leur amicale contribution. Qu ils soient tous chaleureusement remerciés. Nous remercions également les directions des laboratoires IRPHE et LMA qui, en nous accordant un soutien financier, ont contribué à la pleine réussite de l organisation du colloque, ainsi que les personnels de l EGIM qui ont contribué à son bon déroulement. Le Comité d Organisation, Le jeudi 20 janvier 2005 F. Anselmet C. Kharif J. Gazérian S. Malachowski F. Tavéra

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5 Programme Lundi 31 janvier h 00 9 h 30 Accueil Chairmen 9 h h 00 Session d ouverture J.P. Fabre P. Kuentzmann M. Coantic M. Trinité C. Dopazo 11 h h 30 Pause café G. Tavéra 11 h h 00 Session d ouverture E.J. Hopfinger (suite) M. Champion O. Simonin P. Clavin O. Débordes Mardi 1 er février 2005 F. Anselmet R. Pélissier C. Kharif 13 h h 00 Repas à l IMT 14 h h 00 Session 1 K.N.C. Bray T. Hasegawa S. Candel L. Vervisch 16 h h 30 Pause café 16 h h 00 Session 2 T. Takeno D. Roekaerts H. Peerhossaini 18 h h 00 Cocktail (sur place) Soirée Repas (sur invitation) 9 h h 00 Session 3 T. Baritaud D. Veynante P. Garcia-Ybarra A. Yoshida 11 h h 15 Pause café 11 h h 15 Session 4 V. Duthoit M. Cathonnet A. Burluka D. Stepowski 13 h h 00 Repas à l IMT 14 h h 00 Session 5 N. Peters M. Lance M. Gorokhovski E. Guazzelli Ouverture du colloque mot de bienvenue - Stabilité du fonctionnement d'un moteur à propergol solide: l'exemple du MPS d'ariane 5 - La PIV pour les écoulements réactifs : Des instationarités aux petites échelles - Turbulent mixing/reaction and iso-scalar surface curvature - Modélisation des avalanches de neige poudreuse - Flammes turbulentes à points d'arrêt et modèles du second ordre - Modélisation et simulation de l'influence des collisions particule-particule et particule-parois dans les écoulements turbulents gaz-solide - Scalar dissipation rate equation for turbulent premixed flames - DNS and modeling of turbulent premixed flames accompanying flame-generated turbulence and counter-gradient diffusion - La combustion dans des conditions extrêmes - Simulation directe et des grandes échelles des flammes turbulentes - Significance of DNS in combustion science - Turbulence-chemistry-radiation interaction in flames - Dispersion liquide-liquide par la turbulence : simplification extrême - Combustion in F1 engine and its modelling - Utilisation de résultats expérimentaux pour développer et valider des modèles pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente - Eulerian description of the transport and deposition of fine particles conveyed by a turbulent channel flow - Reaction zone structure in a stirred reactor with highly preheated methane-air premixture - Qualité industrielle en recherche - Modélisation cinétique de la combustion du kérosène - Turbulent combustion : ideas, fashions and beyond - Moyenne de Favre avec et sans conditionnement par l'origine du fluide, application au mélange turbulent et à sa mesure par ADL - Dissipation element analysis of passive scalar fields in turbulence - Dispersion de gouttelettes évaporantes dans une turbulence isotrope - Universalités et les modèles de type LES pour les écoulements diphasiques - Sédimentation de petites particules

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7 Conférences Lundi Mardi 1. P. Kuentzmann 2. M. Trinité 3. C. Dopazo 4. E.J. Hopfinger 5. M. Champion 6. O. Simonin 7. K.N.C. Bray 8. T. Hasegawa 9. S. Candel 10. L. Vervisch 11. T. Takeno 12. D. Roekaerts 13. H. Peerhossaini 14. T. Baritaud 15. D. Veynante 16. P. Garcia-Ybarra 17. A. Yoshida 18. V. Duthoit 19. M. Cathonnet 20. A. Burluka 21. D. Stepowski 22. N. Peters 23. M. Lance 24. M. Gorokhovski 25. E. Guazzelli

8 Le recueil de résumés dans sa totalité est disponible à l adresse : The booklet of abstracts can be downloaded from :

9 Stabilité du fonctionnement d'un moteur à propergol solide : l'exemple du MPS d'ariane 5 P. Kuentzmann ONERA/DSG/MFE - 29, avenue de la Division Leclerc BP Châtillon cedex La quasi-totalité des moteurs aérospatiaux présentent en cours de fonctionnement des phases d'instabilité qui exceptionnellement peuvent détruire le moteur et plus généralement induisent des vibrations qui nuisent au confort de la charge utile. Les moteurs à propergol solide n'échappent pas à cette règle, notamment les moteurs segmentés des lanceurs spatiaux lourds de type Titan ou Ariane 5. Sur ces derniers moteurs il a été observé un fonctionnement légèrement instable, réputé acoustique, à basse fréquence et basse amplitude. Les modes impairs, caractérisés par une amplification de l'oscillation de poussée par rapport à l'oscillation de pression, sont particulièrement ennuyeux pour Ariane 5 du fait que les MPS sont accrochés en haut du premier étage du corps central et que l'instabilité se manifeste dans la dernière partie du fonctionnement. La compréhension de ce type d'instabilité a constitué de tout temps un challenge scientifique. La présentation sera dédiée aux travaux conduits depuis 1991 en France sur la stabilité du MPS d'ariane 5. Le problème général de la prévision de la stabilité d'un moteur à propergol solide est contemporain des premiers développements dans les années 1940 et a fait l'objet de nombreux travaux, aux Etats-Unis et en URSS. Les recherches françaises n'ont été structurées qu'à partir des années 1970 et se sont au départ largement inspirées des travaux américains. Au début du développement du lanceur européen Ariane 5, le problème a été reposé à la lumière de l'expérience acquise sur les moteurs de missiles stratégiques et en s'appuyant à nouveau sur les travaux américains. Les données étaient les suivantes : l'impossibilité de réaliser des mesures sur un moteur réel, compte tenu des conditions physiques particulièrement sévères qui y règnent, à l'exception des mesures de pression en paroi ; la théorie classique du "bilan acoustique" avait montré ses limites ; l'ambition était de prévoir le niveau d'instabilité ; les instabilités sont réputées très sensibles à des modifications mineures du chargement. Un programme a été entamé de 1991 à 2002, sous l'égide du CNES, et a fédéré autour de l'onera un certain nombre de laboratoires du CNRS, en particulier EM2C et le CORIA (programme ASSM -Aerodynamics of Segmented Solid Motors-). Le bilan scientifique peut en être effectué aujourd'hui. Après un bref rappel des aspects scientifiques du problème général et des spécificités du MPS d'ariane 5, on tentera de récapituler les principaux résultats obtenus et les sources d'insatisfaction qui subsistent. Il a été prouvé le rôle essentiel, pour ce type d'instabilité, joué par les instabilités hydrodynamiques et les détachements tourbillonnaires, lesquels ont pu être classés ; un phénomène jusqu'alors inconnu d'instabilité hydrodynamique a en outre été identifié. Il a été possible par le calcul numérique de prévoir le niveau d'instabilité observé sur des maquettes de moteurs, du moins dans des conditions simplifiées par rapport au moteur réel (propergol non métallisé, géométrie "académique") ; le succès a été moins net pour la prévision des niveaux d'instabilité du moteur réel : l'instabilité a bien été prévue par le calcul mais le niveau était très inférieur aux observations, des explications et des voies d'amélioration ont pu être proposées. Un court investissement a pu être fait entre EM2C et ONERA sur le contrôle actif des instabilités mais malheureusement sans pouvoir être poursuivi. Si l'impression existe d'une meilleure compréhension des instabilités du MPS d'ariane 5, il subsiste aussi une certaine insatisfaction parmi les chercheurs, celle que la dynamique entamée ait été interrompue, pour des raisons qui n'ont rien de scientifique et malgré des enjeux industriels importants.

10 La PIV pour les écoulements réactifs : Des instationarités aux petites échelles M. Trinité et B. Lecordier CORIA CNRS Université et INSA de Rouen BP St Etienne du Rouvray CEDEX C est à partir de 1984 que Roland Borghi s est engagé dans la mise en place d une Action Thématique programmée (ATP puis ARC du CNRS) sur la modélisation de la combustion dans les moteurs à piston en collaboration avec les constructeurs PSA et Renault. Ce programme a duré près de vingt ans et se prolonge actuellement encore sous une autre forme. Une des premières questions posées aux expérimentateurs était de fournir une valeur du niveau de turbulence régnant dans le cylindre au moment de l allumage. Ce fut alors la grande époque des mesures de vitesse par Anémomètrie Doppler Laser (ADL) dans les moteurs transparents, réalisées point par point et phasées pour chaque angle de vilebrequin. Les résultats incluaient à la fois la turbulence et les fluctuations cycle à cycle largement instationaires. Pour éclaircir ce point, les mesures ADL résolues dans le temps furent développées mais le passage des échelles temporelles aux échelles spatiales nécessitaient une utilisation hasardeuse de l hypothèse de Taylor pour des écoulements sans vitesse moyenne. Cette question des grandes échelles spatiales est restée ouverte jusqu'a l arrivée des premières mesures de vitesse 2D réalisées par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) dans un moteur à piston en La PIV s est révélée être un outil extraordinaire pour appréhender les grandes échelles de l écoulement en montrant comment un écoulement dans un cylindre pouvait être très bien organisé en moyenne et totalement instationaire au niveau de chaque cycle. La question qui se posait toujours était de savoir si ces grandes échelles avaient une action sur la propagation de la flamme (plissement, étirement) ou simplement un effet de convection. Malgré tous ses avantages la PIV avait deux inconvénients majeurs : On ne pouvait obtenir qu un champ de vitesse par cycle moteur et les petites échelles de la turbulence se trouvaient filtrées par le fenêtrage inhérent à la méthode de corrélation nécessaire pour le traitement des images. Nous avons alors travaillé sur ces deux points. La PIV résolue dans le temps avait été développée en associant un laser à vapeur de cuivre et une caméra rapide à film. Aujourd hui l arrivée des caméras vidéo haute vitesse et des nouveaux lasers pompés par diode facilite grandement le travail. Pour ce qui concerne les petites échelles nous avons travaillé au sein d un réseau européen sur le développement de la PIV haute résolution à partir d une méthode itérative de translation déformation des mailles. Cette méthode a été testée sur des images de champ turbulent obtenues par simulation numérique directe. Ces images sont utilisées comme base par les partenaires européens. Parallèlement, depuis une dizaine d années, les motoristes se sont intéressés à la combustion de mélanges globalement pauvres à richesse stratifiée dans le but de réduire les émissions d oxydes d azote. Les modélisateurs, Roland Borghi en tête, se sont attaqués au problème. Dans ce cas la propagation de la flamme dépend à la fois de la turbulence et du champ de richesse, en particulier des fluctuations. Les expérimentateurs ont alors été sollicités pour le développement de méthodes de mesures simultanées des champs instantanés de vitesse et de richesse. Ce n est que très récemment que des couplages entre la PIV et la FARLIF (Fuel Air Ratio Laser Induced Fluorescence) ont put être réalisés pour fournir de tels résultats avec une résolution satisfaisante des grandes et des petites échelles (figure ci-dessous). Il reste maintenant à résoudre le difficile problème de la tridimensionnalité révélée de façon drastique par la PIV. Mesures simultanées du champ de vitesse par PIV et de richesse par FARLIF devant le front de flamme se propageant en milieu stratifié. (Thèse Nathalie Pasquier 2004)

11 Turbulent mixing/reaction and iso-scalar surface curvature C. Dopazo and J. Martín Area de Mecánica de Fluidos, LITEC Universidad de Zaragoza M. de Luna, 3, Zaragoza, Spain J. Hierro Mechanical Engineering Department The Johns Hopkins University 3400 N. Charles St. Baltimore, Md., USA The evolution of a scalar field undergoing turbulent mixing and reaction is investigated in terms of the iso-scalar surface structure. The mean curvature of the isosurface, as well as the scalar variation normal to it determine the local small-scale scalar-structure. The mean curvature, however, maintains some ambiguity; for example, it cannot distinguish between strictly flat and saddle point topologies. The two principal curvatures or, equivalently, its corresponding radius are required to locally characterise the scalar field properly. The scalar conservation equation, including Borghi s reaction rate model for premixed combustion, is used as the starting point. The molecular scalar-flux is decomposed into the normal diffusion and the mean curvature contributions. A exact transport equation for the mean curvature is presented and the different terms are analysed. A local analytic approximation for the iso-surfaces allows to grasp some of the terms in those equations. The curvature tensor is also investigated, as well as its eigenvalues and eigenvectors. 256**3 DNS data for both inert and reactive scalars in statistically stationary constant density turbulence are used to evaluate normal diffusion and mean curvature contributions, as well as iso-surface velocities due to both of them and to the chemical term. The chemical reaction rate in terms of the mean curvature is also obtained. The joint statistics of the two principal curvatures and its influence on the diffusive fluxes and the chemical reaction rate are investigated.

12 Modélisation des avalanches de neige poudreuse E.J. Hopfinger LEGI, CNRS/INPG, B.P. 53, Grenoble Cedex Les avalanches de neige poudreuse sont les plus spectaculaires mais aussi les plus complexes des différents types d avalanches. Elles peuvent atteindre des vitesses de l ordre de 100 ms -1 et des hauteurs d une cinquantaine de mètres ou plus. La densité moyenne, due à la suspension de particules de neige dans l air, est de l ordre de 10 kgm -3. Les particules sont fines de sorte que leur vitesse de chute est petite devant la vitesse turbulente de l avalanche. Il est donc possible de considérer l avalanche comme un écoulement gravitaire non-boussinesq, de fluides miscibles, dont la force motrice est la force de gravité et la force retardatrice est due à l entraînement d air ambiant. Après une présentation et illustration d avalanches poudreuses, un modèle d écoulement affine est élaboré qui donne la variation de la vitesse de l avalanche moyennant deux coefficients de fermeture qui sont l entraînement de l air ambiant et l entraînement de neige. Ces coefficients de fermeture ont été obtenus par des expériences en laboratoire en régime Boussinesq; une correction non-boussinesq est ensuite appliquée. Ce modèle montre clairement que l avalanche est sur tout le trajet le plus souvent dans un état d accélération. Ceci est en accord avec des mesures in situ et en variables adimensionnelles, les vitesses des courants de laboratoire et d avalanches réelles se superposent bien sur une même courbe. Pour préciser l effet non-boussinesq et pour avoir accès à la structure interne de l écoulement nous avons effectué des simulations numériques directes. La difficulté dans ces simulation vient des fortes variations en densité, de l instationnarité et des grandes vitesses et dimensions (grands Reynolds). Pour atteindre de grands nombres de Reynolds dans les simulations, tout en traitant des fortes variations en densité, il fallait un maillage auto-adaptatif. Par ailleurs, les fortes variations en densité conduisent, pour des fluides miscibles, à une vitesse massique non-solenoidale. L algorithme mis au point a été validé sur des expériences type rupture de barrage. Les simulations montrent clairement l effet des fortes différences en densité sur la croissance spatiale de l avalanche et sur les vitesses et donnent une vue de la structure de l avalanche c est à dire des variations de la densité et des vitesses à l intérieur. Image d une avalanche de neige poudreuse

13 Flammes turbulentes à point d arrêt et modèles du second ordre M. Champion Laboratoire de Combustion et de Détonique, UPR9028 du CNRS, Poitiers (France) Cette communication fait le bilan de recherches faites depuis plusieurs années sur la structure des flammes turbulentes stabilisées dans un écoulement à point d arrêt, que celui-ci soit obtenu par interaction de deux écoulements turbulents mis face à face ou bien par l interaction d un écoulent et d une paroi solide. L étude de telles flammes est d un grand intérêt sur le plan fondamental pour les trois raisons suivantes : - Ces flammes peuvent être considérées comme des éléments génériques dans des écoulements turbulents réactifs de géométrie complexes. Elles peuvent être représentatives de plusieurs régimes de combustion : prémélange, diffusion ou prémélange partiel. - L analyse théorique se ramène à celle d équations différentielles ordinaires et la structure de l écoulement permet en général d utiliser les méthodes asymptotiques. - Les données expérimentales sont nombreuses et concernent plusieurs types de situations et conditions aux limites, de la combustion d un mélange homogène à celle de gaz initialement non prémélangés. Cette revue est focalisée sur le cas des flammes de prémélange stabilisées dans l écoulement divergeant obtenu par impact d un écoulement moyen uniforme sur une paroi solide. Elle concerne dans un premier temps le calcul de la structure du champ de vitesse moyen, fonction du facteur d expansion thermique due aux réactions chimiques. Les petites valeurs de l intensité de turbulence et de l inverse du nombre de Reynolds permettent une approche asymptotique conduisant à caractériser trois régions où les mécanismes turbulents et moléculaires jouent des rôles quantitatifs différents et où, de ce fait, les équations se simplifient. Une étude complète des transports turbulents est ensuite faite via un modèle du second ordre prenant en compte la structure de la flamme considérée comme une collection de flammelettes. On déduit en particulier le rôle important joué par les termes représentant le couplage entre le champ de pression et le dégagement de chaleur, 1/ 2 termes qui introduisent le Nombre de Bray = τs l / k, où τ est le coefficient d expansion thermique, S l la vitesse locale de flamme et k l énergie cinétique turbulente caractéristique. Ces résultats sont aussi mis en valeur par des comparaisons des évolutions des quantités turbulentes à travers la flamme avec les résultats obtenus par ailleurs au moyen de modèles «classiques» de mélange turbulent. On montre l importance que revêt une évaluation correcte des transports turbulents en vue d une validation ultérieure d un modèle de calcul du taux de production chimique moyen. La revue se termine par des perspectives concernant la modélisation des flammes partiellement prémélangées.

14 Modélisation et simulation de l'influence des collisions particule-particule et particule-parois dans les écoulements turbulents gaz-solide O. Simonin Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse UMR CNRS / INPT / UPS Des travaux expérimentaux et numériques récents montrent que les collisions particuleparticule et particule-parois peuvent jouer un rôle très important dans le transport et la dispersion de particules en écoulement turbulent gaz-solide même pour des mélanges diphasiques très peu chargés. On observe, en particulier, un effet de redistribution radiale des particules en écoulement cisaillé lié aux collisions particule-particule et une augmentation très importante de leur agitation du fait des rebonds sur des parois rugueuses. Ces effets peuvent s'expliquer qualitativement très simplement dans le cadre de la théorie cinétique des gaz raréfiés étendue aux écoulements gazsolide en régime dilué (typiquement pour une fraction volumique de solide inférieure à 1 %). Cette approche permet également d'obtenir, à partir de l'équation sur la fonction de distribution des vitesses des particules, des équations eulériennes sur les propriétés statistiques des particules (densité numérique, vitesse moyenne, énergie cinétique d'agitation) et des lois de fermeture pour les propriétés de transport (viscosité, diffusivité). La modélisation des particules en interaction avec un écoulement gazeux pose cependant des problèmes spécifiques liés principalement à l'influence de la turbulence. Celle ci entraîne, une augmentation de l'agitation des particules, qui peut être prise en compte à l'aide d'une description Lagrangienne stochastique relativement simple de la turbulence vue par les particules. Mais elle est aussi à l'origine de corrélations spatiales entres les vitesses et les positions des particules qui sont délicates à modéliser dans le cadre d'une approche de type théorie cinétique généralement basée sur l'hypothèse du chaos moléculaire. L'introduction d'une fonction de distribution jointe fluide-particule permet cependant de prendre en compte la plupart de ces phénomènes de façon satisfaisante tout en restant suffisamment simple pour pouvoir généraliser les fermetures pratiques obtenues pour les équations eulériennes. Des simulations numériques couplant le suivi Lagrangien de particules et la simulation directe (DNS), ou aux grandes échelles (LES), de l'écoulement gazeux ont permis de valider les hypothèses et les fermetures obtenues dans le cadre de cette approche tout en montrant leur limite d'application. Enfin, la mise en oeuvre des équations eulériennes des particules couplées avec une modélisation "RANS" de la turbulence gazeuse permet le calcul de configurations expérimentales ou industrielles complexes et la comparaison avec les mesures disponibles. Les résultats obtenus par les modèles en écoulements dilués sont généralement en très bon accord avec les résultats de mesure à condition de traiter correctement la très forte anisotropie de l'agitation des particules qui est une conséquence de leur inertie et du faible taux de collision. Lorsque les écoulements sont suffisamment chargés en particules, typiquement pour une fraction massique de solide supérieure à 20 %, un problème supplémentaire et délicat de modélisation apparaît du fait de la modification de la turbulence par les particules. Mais cela est une autre histoire...

15 Modelling of Scalar Dissipation for Premixed Turbulent Combustion K. N. C. Bray and N. Swaminathan University of Cambridge, Department of Engineering, Trumpington Street, Cambridge CB4 1PZ, England Roland Borghi has made many important contributions to our understanding of turbulent combustion and the widely recognised strength of the subject in France today owes much to his scholarship and guidance. Much of his work has been concerned with premixed combustion where he recognised the importance of the scalar dissipation and derived new models for it. The scalar dissipation determines the rate at which the variance of a scalar variable, in this case the reaction progress variable, is decreased as a result of molecular transport. It is the reciprocal of a time scale characterising the local rate of the small-scale mixing that must accompany chemical reaction in a non-uniform flow. If chemical reaction rates are fast in comparison with this small-scale mixing rate, mixing controls the rate of conversion of reactants into products, and the rate of conversion is proportional to the scalar dissipation. It is therefore not surprising to find that the mean scalar dissipation plays a key role in most turbulent combustion models, such as presumed pdf, transported pdf and conditional moment closure models. In the case of the turbulent diffusion flame, non-reactive flow models for the mean scalar dissipation are often adequate and provide a convenient route to the mean rate of heat release. The situation is more complex in premixed combustion, where burning can take place in laminar flamelets whose internal structure is not greatly influenced by the turbulent flow and classical mixing models are not applicable. Recognising this, Roland Borghi and his students [1-5] derived and closed a transport equation for the mean scalar dissipation in premixed turbulent combustion. The present contribution explores the role of dilatation due to heat release in this transport equation. New closure models are proposed and comparisons with DNS data are presented. References [1] Borghi, R. and Dutoya, D. Proc. Combust. Inst. 17: (1978) [2] Borghi, R. Combust. Flame 80: (1990) [3] Mantel T. Stanford University, Center for Turbulence Research, Annual Research Briefs 1993, pp [4] Mantel, T. and Borghi, R. Combust. Flame 96: (1994) [5] Mura, A. and Borghi, R. Combust. Flame 133: (2003)

16 DNS and modeling of turbulent premixed flames accompanying flame-generated turbulence and counter-gradient diffusion T. Hasegawa 1, K. Ouryouji 2 and S. Nishiki 3 1 EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Japan 2 Graduate School of Engineering, Nagoya University, Japan 3 Department of Mechanical Engineering, Nagaoka University of Technology, Japan Keywords: Turbulent premixed flame, Turbulence model, Numerical simulation Abstract: A new turbulence model called hybrid model was proposed to simulate turbulent premixed combustion with flame-generated turbulence and counter-gradient diffusion. This model calculated the Reynolds stress by a modified two-equation model including pressure terms, which represented the turbulence generation due to combustion. It also calculated the turbulent scalar flux by a second moment equation including pressure and reaction terms, which represented the counter-gradient diffusion. The model constants were evaluated by DNS database, and these models were in good agreement with DNS. It was proved that the simulation of one-dimensional propagating turbulent flames by this hybrid model could express both turbulence generation and counter-gradient diffusion in the flame region. In this study, we simulated a turbulent premixed flame including the effects of flame-generated turbulence and counter-gradient diffusion by a new hybrid turbulence model, and evaluated the accuracy of the model in comparison with DNS. We simulated a one-dimensional turbulent premixed flame as shown in Fig. 1 by the equations of mean mass conservation, mean momentum conservation, mean scalar conservation and equation of state with progress variable c as a scalar variable. unburned gas φ = in const Fig. 1 Simulation model In these governing equations, Reynolds stress, turbulent scalar flux and mean reaction rate needed to be modeled. Reynolds stress was obtained by the analogy of viscous stress with turbulent viscosity: u u 2 u ρ uu = µ ( + ) δ ( ρ k + µ ) (1) i j j i j t ij t x x 3 x j i j burned gas φ x Kinetic energy and dissipation rate were calculated from those transport equations as follows: ρk ρ ku j u µ k i t + = ρ uu + ( ) i j µ+ t x x x σ x j j j k j p 2 ρ u ρ uc + C wu 1 ρε i IV L (2) ρ ρ x ρ b u i b out = 0 ρε ρε u j ε u µ ε i t + = C ρ u u + ( µ+ ) 1 i j t x k x x σ x j j j ε j 2 ε 1 1 p ρ + C ρ u c + C wu 1 2 u 3 i IV L k ρ ρ x ρ b u i b 2 ε ρ (3) k where the third and forth terms in both equations were modifying terms which represented turbulence generation due to the effects of pressure gradient and pressure fluctuation (Nishiki et al. 2002). Turbulent scalar flux was calculated by its transport equation with some terms, which produced countergradient diffusion (Nishiki et al. 2003): ρcu ρcuu cu i i j µ ρ t j + == ( µ+ ) t x x σ x j j t j c u 1 1 p ρuu ρcu C ρc(1 c) j i j j D x x ρ ρ x j j b u j ε ρ ρ + u 1.7 C c u C u ( 1)w(1 c) Ec i Ea L k ρb ρ ρcu u j C u 1 w C ( c)w FG L + φ (4) H m ρ ρ b c(1 c) In addition, the eddy-break-up model was used for the mean reaction term, because this model showed good agreement with DNS of wrinkled flames. ε w = C ρc(1 c) EBU k (5)

17 A one-dimensional turbulent premixed flame was calculated with initial conditions similar to the DNS database with the turbulent intensity 0.88 times the laminar flame speed, integral scale 15.9 times larger the laminar flame thickness and density ratio of flame Figure 2 shows distributions of progress variable calculated by the hybrid model and the conventional two-equation model. The hybrid turbulence model demonstrated steeper change of progress variable than the conventional two-equation model. It also well represented flame-generated turbulence and countergradient diffusion as shown in Figs. 3 and 4, in comparison with the conventional two-equation model. However, it still had some difficulties in solving equations because of positive source terms in the transport equations of kinetic energy and scalar flux. (a) Hybrid turbulence model C onventionalk-â model C onventionalk-â model (b) Convensional two-equation model Fig. 2 Distribution of progress variable Fig. 4 Distribution of turbulent scalar flux C onventionalk-â model Nishiki, S., Hasegawa, T., Borghi, R. & Himeno, R Modeling of flame-generated turbulence based on direct numerical simulation databases. Proc. Combust. Inst., vol. 29, pp Nishiki, S., Hasegawa, T., Borghi, R. & Himeno, R Turbulent scalar flux in turbulent premixed combustion. Proc. of Fourth Int. Symposium Turbulence, Heat and Mass Transfer, pp Fig. 3 Distribution of turbulent energy

18 La combustion dans des conditions extrêmes S. Candel, G. Singla, M. Juniper, P. Scouflaire et C. Rolon Laboratoire E.M2.C., CNRS et Ecole Centrale de Paris, Châtenay-Malabry, France On traite dans cet exposé de situations dans lesquelles la combustion est réalisée dans des conditions de pression élevées (7MPa) entre des réactifs injectés sous forme liquide (cryotechnique) ou gazeuse. Le réactif liquide est alors souvent transcritique (sa température est inférieure à la pression critique mais sa pression dépasse la valeur critique). Les situations d'injection transcritique sont particulièrement importantes car elles sont représentatives des conditions rencontrées dans les moteurs fusée et dans des applications futures notamment du domaine de la propulsion aéronautique. On considère successivement des situations où l'un des ergols (l'oxygène liquide) est transcritique puis on envisage des situations où les deux ergols sont transcritiques (oxygène liquide et méthane liquide). L'exposé donnera un état de l'art sur les études expérimentales et les modélisations réalisées au cours des dernières années pour caractériser la structure de flamme, comprendre l'influence des paramètres d'injection et de la géométrie de l'injecteur et analyser les phénomènes qui déterminent la stabilisation de flamme. Ces études ont été soutenues par le CNES, la Snecma et le CNRS.

19 Analysis of partially premixed combustion in spray and gaseous lifted flames Luc Vervisch INSA de Rouen & IUF UMR CNRS 6614 CORIA Avenue de l'université BP Saint-Etienne du Rouvray cedex, France Direct Numerical Simulations of weakly turbulent lifted flame-bases are examined in the case of both gaseous and spray fuel jet injection. For spray, the DNS is restricted to the carried phase, and usual Lagrangian spray closures are used for the droplets. Simplified transport properties and an adjustable single-step chemistry that matches the flame response to equivalence ratio are adopted. The flames are stabilized within a coflowing stream of heated air. The properties of the zone where burning starts are found to strongly depend on the type of fuel injection. The gaseous flame base is essentially composed of an edge-flame, with a large contribution of partially premixed combustion. This partially premixed flame takes two different forms, a nearly stoichiometric propagating kernel and a rich trailing flame whose burning rate is diffusion controlled. The rich premixed flame is parallel to the stoichiometric line, along which a diffusion flame burns the fuel left by this rich burning zone, up to the very leading edge of the flame base. In the spray case, a non-negligible amount of oxidizer is entrained within the dilute spray, also leading to an important contribution of partially premixed burning. However, diffusion and premixed burning are found more distributed in space in the spray case than with gaseous injection. From those simulations, the classification of spray flames proposed by Roland Borghi is discussed. Then, a progress variable that is generalized to partially premixed combustion is introduced and the relative contributions of the terms of its balance equation are analyzed from the DNS. A flame partitioning into premixed and diffusion types is further examined and the stabilization zone is decomposed into basic flame prototypes. A subgrid scale flame decomposition is also discussed from a direct filtering of DNS and some a priori tests of sugrid scale modeling are reported.

20 Significance of DNS in Combustion Science T. Takeno* and Y. Mizobuchi** * Meijo University ** JAXA The recent advancement in numerical calculations is remarkable, and this advancement will have a profound impact on combustion science. It has generated a new scientific approach of numerical experiment, which has been proved so successful in understanding the physics and chemistry of complicated combustion phenomena. Now 3D DNS of real size flames with detailed chemistry and exact transport properties is coming possible. Some pioneering studies in this direction have shown that there is a novel field of combustion research. On one hand, they have demonstrated very complicated turbulent flame structures, and on the other they also have revealed interesting properties of laminar flames. The former findings should be very useful to construct successful LES subgrid scale models. The latter findings include time-dependent 3D structures of partial premixed flames, as well as of conventional premixed and diffusion flames. We have to develop new theories to understand the observed flame behavior.

21 Turbulence-chemistry-radiation interaction in flames D. Roekaerts 1, B. Merci 2 and B. Naud 3 1 Delft University of Technology, Multi-Scale Physics, Delft, The Netherlands 2 Ghent University, Dept. of Flow, Heat and Combustion Mechanics, Ghent, Belgium 3 CIEMAT, Madrid, Spain Reynolds averaging the Navier-Stokes equation (RANS) and the transport equations for species mass fractions and enthalpy leads to averaged transport equations containing unclosed terms: Reynolds stress in the momentum equation, Reynolds flux and mean source term in the mean species and energy equations. Reaction rates are in general highly non-linear functions of composition and temperature and the averaged reaction rate cannot be expressed as a function of mean concentrations and mean temperature. In presumed Probability Density Function (PDF) models the mean source term is written exactly as function of the PDF of concentrations. A form of the PDF is assumed and is quantitatively given as function of lower moments (mean, variance, covariance). In the transported PDF approach a balance equation for the PDF is solved. The essential advantage is that in the PDF transport equation the chemical source term appears in closed form. However, the influence of the small scale mixing processes which also drive the chemical conversion remain to be modelled. The validation of these and other closure models for turbulencechemistry interaction is an important objective of the series of International Workshops on Measurements and Computations of Turbulent Nonpremixed Flames (www.ca.sandia.gov/tnf). In this presentation, using the turbulent piloted jet diffusion flame Delft Flame III the strategy and results of the TNF Workshop methodology is explained. Available experimental data and model results are reviewed. Both assumed PDF and the transported (scalar and velocity scalar) PDF approaches are used. The sensitivity of the quality of the predictions to the choice of submodels, in particular micromixing models, is studied. The important role of the quality of the turbulence model is highlighted. The two-dimensional representation of the pilot flames is still a relevant difficulty for this flame. The closure of the mean radiative source term in the enthalpy equation is addressed (turbulence-chemistry-radiation interaction). The quality of the optically thin model and the role of spectral radiative effects is highlighted using the piloted jet diffusion flame Sandia Flame D as example. All this then leads to a presentation of issues and discussion topics concerning the range of applicability of certain models and on the way to go ahead, both in experiments and in modelling. Additional problems that enter in the case of two-phase combustion (spray flames) are also mentioned. Many of the inspiring developments in this field go back to the original works by Roland Borghi. Acknowledgement B. Merci is Postdoctoral Researcher of the Fund of Scientific Research Flanders (Belgium) (FWO-Vlaanderen).

22 Dispersion liquide-liquide par la turbulence : simplification extrême H. Peerhossaini Laboratoire de Thermocinétique, CNRS-UMR 6607 Ecole Polytechnique de l'université de Nantes Rue C. Pauc, B.P , Nantes cedex 3 Une nouvelle étude de la dispersion de deux liquides non-miscibles par un écoulement turbulent est proposée avec une analyse parallèle de la distribution des tailles de gouttelettes et de la densité spectrale de turbulence. Si la simple règle que dans un écoulement turbulent, le diamètre maximum de gouttelettes est lié à la longueur de corrélation des fluctuations de pression (ou de vitesse) est connu depuis longtemps, la comparaison précise entre les deux échelles de turbulence et de gouttelettes est nouvelle. Dans notre dispositif d étude, un mélangeur dit HEV (High Efficiency Vortex), la correspondance entre le diamètre maximum des gouttes et l'échelle intégrale de turbulence d'une part et le diamètre minimum des goûts et l'échelle de longueur de Kolmogorov d'autre part, montre que la distribution de taille des gouttes se superpose ici exactement à la zone inertielle du spectre de turbulence.

23 Combustion in F1 engine and its modelling T. Baritaud Ferrari S.p.A, Maranello, Italy Race engine development is traditionally based on intense empirical effort and rapid implementation of solutions. The methodology is made of a succession of incremental steps often lower than a fraction of a per cent. This implies a high level of accuracy and to account for all the couplings. In the recent years, modern scientific concepts and tools are supporting the race engineer work. Injection, mixing, evaporation, ignition and flame propagation knowledge and their modelling are currently applied to design race engines. It often requires to extend the validity range of hypothesis and model. Obtained results reveal the highly tuned and fast rotating F1 engine peculiar behaviour. The main work of a race engineer is to make the engine breeze and trap the maximum air quantity. This is achieved by an accurate definition of all pipe-valve-chamber details to control a very dynamic flow. The following task is to admit the fuel properly which is still done using port injection. Due to the high level of acoustic tuning, the fuel droplets experience large flow oscillations leading to a very efficient atomisation and evaporation process. However, it is not sufficient to insure a good fuel-air mixing. Routes are studied to improve it. Shortly after valve closure, ignition occurs at low temperature-pressure, but high turbulence level. The flame must then propagate in a very flat chamber at a speed sufficient to burn the full load with maximum thermodynamic efficiency. A trade-off between peek pressure and thermal loss is sought. Then, the burned gases must leave the combustion chamber in a short time while maximizing the work on the piston. All these described processes are very much coupled. One and three-dimensional modelling prove to be very efficient for the understanding and optimisation of engine power.

24 Utilisation de résultats expérimentaux pour développer et valider des modèles pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente D. Veynante 1 Laboratoire E.M2.C., CNRS et Ecole Centrale de Paris, Châtenay-Malabry, France La simulation aux grandes échelles (ou LES, pour large eddy simulations) consiste à calculer explicitement les plus grandes échelles d un écoulement turbulent tandis que seul l effet des plus petites doit être modélisé. Cette approche, qui donne accès à des informations instantanées, s avère particulièrement efficace pour les écoulements réactifs, souvent dominés par ces grandes structures, notamment lors du développement d instabilités de combustion. En outre, elle permet d identifier, au moins aux échelles résolues, la localisation instantanée des gaz frais et des gaz brûlés dont les propriétés peuvent être sensiblement différentes, que ce soit en termes de turbulence, d émissions radiatives ou de formation des espèces polluantes et espérer une meilleure description de l interaction turbulence / combustion. La simulation aux grandes échelles pose toutefois un certain nombre de problèmes théoriques et pratiques : développement de modèles de sous maille adaptés à la combustion dont les échelles caractéristiques ne sont, en général, pas résolues, utilisation de codes de calcul suffisamment précis, formulation de conditions aux limites instationnaires, coûts de calcul, Un point important, encore peu discuté, est la validation des résultats de simulation par comparaison avec des données expérimentales. Cette comparaison n est pas aussi triviale qu on pourrait le penser. D une part, comme les modèles de sous mailles sont développés avec des arguments statistiques, seule la comparaison de grandeurs statistiques est légitime et il serait illusoire de comparer des champs instantanés, sauf pour des écoulements périodiques. D autre part, les grandeurs issues de la simulation, relatives aux statistiques des champs résolus, ne sont pas directement comparables aux données expérimentales, qui correspondent, le plus souvent à des moments (moyennes, variances, ) mesurés en un point, sans oublier les différences sensibles entre grandeurs moyennées ou filtrées au sens usuel ou pondérées par la masse volumique. L idéal serait de disposer de champs expérimentaux instantanés tridimensionnels pour en extraire par filtrage les grandeurs effectivement calculées. Challenge pour le modélisateur, la simulation aux grandes échelles en est également un pour l expérimentateur! Des données expérimentales fines peuvent aussi, à l instar de résultats de simulations numériques directes, être exploitées pour développer a priori, c est-à-dire sans simulation numérique, des modèles de sous mailles pour la combustion. 1

25 Eulerian description of the transport and deposition of fine particles conveyed by a turbulent channel flow P. L. Garcia-Ybarra Dept. Fisica Matematica y Fluidos, UNED Senda del Rey 9, Madrid (Spain) The motion of small particles conveyed by a host fluid is described within the Eulerian framework, by assuming that both phases (fluid & particles) exchange momentum proportionally to the local relative velocity. When the particle stopping time is small compared to the characteristic flow time, inertial effects are weak and can be accounted for by expanding the particle momentum equation in terms of the Stokes number (St = particle time / flow time). At the leading order, the host fluid moves like a single fluid and the particle velocity deviation from the fluid velocity is a first order correction in the St expansion. By considering a fully developed turbulent channel flow, particle turbulent transport is mainly controlled by the combination of two effects: turbulent dispersion and turbophoresis (St first order inertial effect). The first one attempts to homogenize the particle distribution through the channel width whereas the second one drives particles down the gradient of turbulence intensity. In fully developed channel flow, turbulence intensity is maximum in the buffer layers, decreasing slowly towards the channel centre and sharply towards the walls, where it vanishes. As a consequence, in the core channel region particle concentration is almost constant whereas in the near-wall regions (from the buffer layers down to the walls) a steady particle distribution is built up that peaks on the walls and relaxes exponentially towards the value in the core region. This distribution results from the balance between the turbophoretic flux that tends to accumulate particles on the wall and the turbulent dispersion flux that opposes to it. The net effect is that particle concentration reaches a pronounced maximum on the channel walls that turns out to enhance particle deposition onto the walls because it is controlled by the local particle (inertial) enrichment instead of by the average particle concentration. Particle deposition occurs in a very thin diffusive layer where Brownian diffusion matters and cooperates with turbulent dispersion to generate the whole particle flux towards the wall. Turbophoresis appears to be a second order effect in this layer whose thickness depends on the inverse of the particle Péclet number (particle Schmidt number times flow Reynolds number). This Péclet number is used to define the relevant strained coordinate and to write down the governing equation for the particle concentration. The analytical solution of this equation is used to work out the particle concentration profile in the diffusive layer by imposing the condition of vanishing concentration on the wall (perfect sticking) and the asymptotic matching with the outer profile, i.e., with the turbophoretically enriched value of the particle concentration on the wall. Finally, an explicit expression is obtained for the particle deposition that depends on the relevant dimensionless groups (Reynolds, Stokes and Schmidt) and allows computing the variation of the particle loading along the channel.

26 Reaction zone structure in a stirred reactor with highly preheated methane-air premixture A. Yoshida Department of Mechanical Engineering, Tokyo Denki University The existence of the wrinkled laminar flame has been well established when the turbulence intensity of unburned mixture is low enough. However, the flame structure at high turbulence with small scale is still unknown. In the present study, we designed a new cylindrical stirred reactor, in which highly preheated unburned mixture was burned. The reaction zone structure comes under the distributed reaction zone regime as shown in Fig. 1. Visual observation was made and schlieren photographs were taken through the reactor windows. The OH-PLIF measurements were made to investigate the flame structure. Direct and schlieren photographs show the uniformities in chemiluminescence and in density. A typical OH PLIF image is shown in Fig. 2, in which many bright spots are scattered homogeneously. Therefore, it is clear that there are no thin laminar flamelets and the lumps in which the intensive chemical reaction occurs are distributed throughout the reactor. From species concentration measurements including NOx, it was found that chemical reaction proceeded from the injector to outward and each concentration reached a plateau value, resulting from the strong turbulent mixing of reacting gas with burned gas. NOx concentration was extremely low. Ion current was also measured in the reaction zone. Ion current signal has no sharp peaks, which are typical features of the thin laminar flame. Ion current was low near the injector and the ion current level increased with radial distance. The signal form became wavy in the middle of the reactor. High ion current showed the region where the chemical reaction is active, while low current showed the region of inactive chemical reaction. From the cross-correlation of two ion currents, it was found that the reaction zone consists of reacting eddies or thick reaction zones of the order of 4 mm. Such reacting regions are scattered in the entire stirred reactor as shown in Fig. 2. Reacting eddies or zones were found to be transported outward by the mean convection velocity of the flow field. Figure 2. OH-PLIF Image of Reaction Zone in Well Stirred Reactor. Figure 1. Premixed Turbulent Combustion Regime Diagram.

27 La qualité industrielle en recherche V. Duthoit Snecma Propulsion Solide, Bordeaux Après nous être replacés dans le contexte de l'activité spatiale, avec ses spécificités en termes d'exigences techniques, et de cadence, nous essaierons d'identifier ce qui est essentiel et important dans la construction et l'assurance de la qualité dans les études amont. Les enjeux sont différents du reste des processus industriels, dans la mesure où les risques sur le résultat sont plus importants, mais les possibilités d'assouplir le système plus grandes. On conclura en identifiant des facteurs critiques de succès et un exemple bien particulier.

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