Modélisation 0D/1D des émissions de particules de suie dans les turbines à gaz aéronautiques

Résumé

Face à une réglementation de plus en plus exigeante sur les émissions de particules d’aéronef à laquelle s’ajoutent des incertitudes entourant leur formation et leurs effets sur l’atmosphère, une meilleure compréhension de leurs mécanismes physico-chimiques et de leurs interactions avec les composantes des moteurs s’impose. Ce mémoire porte sur le développement d’un modèle 0D/1D de combustion avec production de suies dans une turbine à gaz aéronautique. Un des objectifs majeurs de cette étude a été d’évaluer la qualité des prédictions en matière d’émissions de suies obtenues avec ce modèle pour différentes configurations de vol. Ce dernier devrait permettre à terme la réalisation d’études paramétriques sur des moteurs existants ou futurs avec un temps de calcul minimal. Le modèle représente plusieurs zones de la chambre de combustion et des modules turbines et tuyère par un réseau de réacteurs chimiques (CRN) couplé à une cinétique détaillée de combustion du kérosène et à un modèle dynamique de formation des particules de suie utilisant la méthode des moments. Ce CRN a été appliqué au moteur CFM56-2C1 sur les configurations de vol du cycle LTO (Landing-Take-Off) étudiées dans la campagne expérimentale sur les émissions de particules aéronautiques APEX-1. Le modèle a été validé principalement sur les données thermodynamiques du moteur et les concentrations de polluants (H2O, COX, NOX, SOX) mesurées dans cette même étude. Cette première étape de validation opérée, le modèle a par la suite été utilisé pour le calcul du diamètre moyen ainsi que les indices d’émissions massiques et en nombre de la population de particules. Globalement, le modèle est représentatif des conditions thermodynamiques au sein du moteur et parvient à prédire les émissions de polluants majeurs, particulièrement à forte puissance moteur. Concernant les émissions de particules de suie, la capacité du modèle à prédire simultanément les indices d’émissions et le diamètre moyen n’a pu être validée que partiellement. En effet, les indices d’émissions massiques restent supérieurs aux résultats expérimentaux notamment à forte puissance. Ces écarts sur cet indice d’émissions peuvent être la conséquence d’incertitudes sur les paramètres thermodynamiques du CRN et sur la distribution de l’air dans la chambre de combustion. L’analyse de l’évolution de l’indice d’émissions en nombre de particules le long du CRN a également souligné la nécessité de revoir le modèle de nucléation employé et d’envisager à l’avenir l’implantation d’un mécanisme d’agrégation des particules.

Date	13 juin 2014
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Garnier (Directeur(-trice)) & Patrice Seers (Codirecteur(-trice))