Simulation et calcul des modes thermo-acoustiques des chambres de combustion aéronautiques

par Elsa Gullaud

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et applications des mathématiques

Sous la direction de Franck Nicoud.

Le président du jury était Yves Gervais.

Le jury était composé de Franck Nicoud, Sebastien Roux, Bijan Mohammadi, Stephane Moreau.

Les rapporteurs étaient Sebastien Ducruix, Christophe Schram.


  • Résumé

    Devant la nécessité de diminuer les émissions polluantes du secteur du transport, les constructeurs de moteurs d'avion se sont tournés vers l'utilisation de régimes pauvres prémélangés. Ces régimes ont pour avantage de diminuer la production de NOx mais l'inconvénient de favoriser les instabilités de combustion dans les moteurs. La simulation numérique (LES (Large Eddy Simulation) et solveurs de Helmholtz par exemple) a fait ses preuves en matière de de prédiction des instabilités au stade de la conception des moteurs. Pour aller vers plus de précision, il est nécessaire de prendre en compte les détails géométriques des chambres. Les chambres de combustion sont équipées de plaques multiperforées dans le but d'assurer leur refroidissement. Ces plaques sont constituées d'orifices de diamètre inférieur au millimètre, il est donc impossible de les mailler. L'objectif de cette thèse est d'être capable de prendre en compte les plaques multiperforées dans le calcul des modes acoustiques d'une chambre de combustion. Les plaques sont donc remplacées par un modèle homogène développé par Howe en 1979. Ce modèle simule le comportement d'une plaque multiperforée soumise à une excitation acoustique sous certaines hypothèses. Ce modèle se présente sous la forme d'une impédance acoustique. Il est bien adapté pour être codé dans un solveur de Helmholtz. Le modèle de Howe a été développé dans le cas où les plaques multiperforées sont à l'interface entre deux fluides froids. Le modèle est adapté pour prendre en compte le saut de température entre le contournement et la chambre de combustion. Le codage est ensuite validé en comparant les résultats numériques obtenus avec une résolution analytique sur des configurations simples. Ces premiers résultats sur des cas simples permettent de mettre en évidence le comportement acoustique des plaques multiperforées. Elles ont pour effet d'amortir les modes acoustiques mais l'amortissement dépend des paramètres géométriques des plaques et de la vitesse de l'écoulement traversant les orifices. L'étude des instabilités est ensuite appréhendée par une approche de bilans énergétiques. Les chambres industrielles étant équipées de plusieurs paires de plaques multiperforées, il est intéressant de déterminer quelles plaques sont les plus efficaces. Un bilan d'énergie acoustique permet de calculer le pourcentage effectif d'amortissement auquel contribue chaque plaque. En présence d'une flamme, l'approche par bilans permet d'évaluer la contribution des plaques et de la flamme à l'amortissement ou l'amplification d'une instabilité. Une chambre industrielle équipant un hélicoptère de la société Turbomeca est calculée en utilisant les outils développés dans la thèse. Le calcul du bilan d'énergie en présence d'une flamme et des plaques multiperforées permet de déterminer la stabilité des modes de cette chambre et les éléments responsables de l'évolution de l'instabilité. L'ensemble de ces travaux a été financé par la SNECMA et le modèle pour les plaques multiperforées a été implémenté dans le solveur de Helmholtz AVSP, propriété CERFACS-SNECMA.

  • Titre traduit

    Computation and simulation of thermoacoustic modes in aeronautical combustion chambers


  • Résumé

    Aeronautical engine constructors are using lean premixed regimes to deal with the necessity to cut down pollutant emissions. These regimes indeed help to prevent the emission of NOx but trigger on the other hand combustion instabilities. Numerical simulation (which can consist of LES or Helmholtz solvers for example) has proven to be a usefool tool to predict these instabilities at the design stage. Acoustic modes can be well predicted only if geometrical details are taken into account. Multiperforated plates which equip combustion chambers with the purpose of cooling the inner walls must for instance be taken into account in a numerical calculation. These plates consist of several apertures with a diameter smaller than 1 millimeter, which makes their meshing impossible. The objective of this thesis is to take into account perforated plates in the numerical simulation of the acoustics of combustion chambers. The homogeneous model for the acoust ic behaviour of a perforated plate derived by Howe in 1979 is used. Provided some hypotheses, this model can predict the acoustic behaviour of a plate under an acoustic excitation. Howe's model, derived in an incompressible flow, is here adapted to be used in the case where the perforated plate in located between the casing (cold air) of a combustion chamber and the inner chamber (filled with a hot mixture). The model is well suited to be implemented in an existing 3D Helmholtz solver, because it appears under the form of an impedance. The coding is validated by comparing numerical results to analytical results on simple geometries. First results allow to show the damping behaviour of perforated plates and its dependance to geometric parameters or the speed of the incoming flow though the apertures.Acoustic instabilities can also be apprehended with an acoustic energy approach. Since industrial chambers are equipped with several pairs of multiperforated plates, it is interesting to show which of them are the most efficient at damping purposes. An acoustic energy budget allows to predict the percentage of the total damping a particular plate is responsible for. In the presence of a flame, the acoustic energy budget can also give information on the contribution of the flame on the triggering or damping of the instability.An industrial chamber designed by Turbomeca for a helicopter is computed. The acoustic energy budget on a computation taking into account the active flame and the multiperforated plates allows to predict the stability of the modes of the chamber. The elements responsible for the behaviour of the instability can be identified. This work has been funded by SNECMA and the code used to implement the model is AVSP, it co-belongs to CERFACS and SNECMA.


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