Méthodologie pour la simulation numérique de la formation des polluants dans les foyers de turbine à gaz et expériences de validation associées

Pour les constructeurs de moteurs d’avion, la formation de polluants comme les NOx ou les particules de suies est une question importante car la réglementation sur les émissions polluantes est de plus en plus sévère. Pour respecter cette réglementation, de nouveaux concepts de foyers de turbine à gaz doivent être développés avec l’aide d’outils de simulation. Dans cet article, nous présentons deux stratégies différentes proposées par l’ONERA et le DLR pour simuler la formation des suies et des NOx dans les chambres de combustion. La première est basée sur des modèles chimiques simples permettant de faire porter l’effort de calcul sur la description LES de l’écoulement, tandis que la seconde est basée sur des modèles physico-chimiques de formation des suies plus précis mais aussi plus coûteux en temps de calcul. Des expériences de combustion conçues pour la validation de ces stratégies sont ensuite décrites : La première, réalisée au DLR, reproduit la combustion à une échelle semi-industrielle et a pour but de donner une information très précise et complète sur les mécanismes de formation des suies et leur oxydation dans des conditions expérimentales parfaitement maîtrisées ; la seconde, réalisée à l’ONERA, a pour but de reproduire de façon réaliste les conditions sévères rencontrées dans les foyers de turbine à gaz industrielles. Dans la troisième partie du papier, les résultats des simulations de combustion sont comparés à ceux des expériences de validation. Il est démontré que la description précise de la physique et de la chimie intervenant dans la formation des polluants est nécessaire mais non suffisante pour simuler correctement les quantités de polluants formés. Un calcul précis de l’écoulement turbulent réactif interagissant avec les mécanismes de formation, de dilution, d’oxydation et de transport des polluants est également nécessaire : Lorsque le champ de température est correctement reproduit comme c’est le cas pour la simulation ONERA du foyer DLR, la simulation de la formation des suies est assez satisfaisante, alors qu’une difficulté pour reproduire le champ de température dans le foyer TLC conduit à une surestimation des concentrations de NOx et de suies.