Numerical study of combustion noise in gas turbines

par Camilo F. Silva

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et applications des mathématiques

Sous la direction de Franck Nicoud.

Le jury était composé de Franck Nicoud, Aimée Morgans, Thierry Schuller, Stéphane Moreau, Bijan Mohammadi.

Les rapporteurs étaient Wolfgang Schröder, Wolfgang Polifke.

  • Titre traduit

    Etude numérique du bruit de combustion dans les turbines à gaz


  • Résumé

    La recherche en bruit de combustion est de nos jours majoritairement consacrée au développement d'outils de calcul du bruit rayonné par les flammes. Les méthodes actuelles de CFD telles que la LES ou la DNS sont capables de fournir le champ acoustique rayonné par des sources de bruit, mais elles sont cependant limitées à des domaines de faible taille, ceci dû à leur fort coût de calcul. Pour surmonter cette limitation, on a vu l'émergence de méthodes hybrides. Dans cette approche, les sources de bruit sont découplées du son rayonné. Les sources sont alors calculées par les méthodes de DNS et de LES tandis que l'analogie acoustique permet de calculer le son rayonné par des codes acoustiques, moins coûteux en temps de calcul.L'objet de cette étude est de développer un outil numérique sur la base de l'analogie acoustique de Phillips pour de faibles nombres de Mach. Il permet de prendre en compte l'impact des conditions limites sur le champ acoustique résultant. La LES et le code de calcul acoustique développé ont été utilisés pour évaluer le bruit produit par une flamme turbulente confinée. Les deux techniques donnent des résultats en accord tant que les bonnes quantités sont comparées: il a été observé que le signal de pression obtenu directement à partir de la LES contient une quantité non négligeable d'hydrodynamique, laquelle doit être négligée si on cherche à comparer seulement les champs acoustiques issus des deux codes.L'hypothèse d'un nombre de Mach faible est totalement réaliste si l'on considère l'écoulement présent dans une chambre de combustion. Elle conduit à des simplifications significatives lorsque les analogies acoustiques sont considérées. Cependant, cette hypothèse ne peut pas être utilisée pour l'écoulement en amont (entrée d'air, compresseur) ni en aval (turbine, tuyère) des chambres de combustion aéronautiques. Un outil numérique a été développé pour pallier ce problème. Il est basé sur les équations d'Euler Quasi-1D, qui prennent en compte des écoulements convectifs, non isentropiques et non isenthalpiques. Cet outil permet d'estimer les conditions limites acoustiques qui doivent être imposées sur les entrées/sorties d'une chambre de combustion pour prendre en compte la présence d'un écoulement de nombre de Mach non négligeable, alors que les calculs acoustiques sont eux effectués sous cette hypothèse fortement restrictive.


  • Résumé

    Today, much of the current effort in combustion noise is the development of efficient numerical tools to calculate the noise radiated by flames. Although unsteady CFD methods such as LES or DNS can directly provide the acoustic field radiated by noise sources, this evaluation is limited to small domains due to high computational costs. Hybrid methods have been developed to overcome this limitation. In these schemes, the noise sources are decoupled from the radiated sound. The sources are still calculated by DNS or LES codes whereas the radiated sound is evaluated by acoustic codes using an acoustic analogy.In the present study, a numerical tool based on the Phllips' analogy for low Mach numbers flows has been developed. This tool accounts for the role of the boundary conditions in the resulting acoustic field. Both LES and the acoustic code developed here are used to assess the noise produced by a turbulent confined flame of a turbulent swirled-stabilized staged combustor. Good agreements are obtained between both techniques as long as the good quantities are compared: the pressure signal obtained directly from LES contains a non negligible amount of hydrodynamics that must be removed when a suitable acoustics-acoustics comparison is sought. The low Mach number assumption is completely realistic when considering the flow within a combustion chamber; it also conducts to considerable simplifications when leading with acoustic analogies. However, it cannot be used for the upstream (air-intake, compressors) and downstream (turbines, nozzle) of an aeronautical combustion chamber. A numerical tool is developed based on the quasi-1D Linearized Euler Equations in order to account for convective, non-isentropic and non-isenthalpic flows. By means of this tool, it is possible to estimate the acoustic boundary conditions that should be imposed at the inlet/oultlet of a given combustion chamber when performing low-Mach number acoustic computations.


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