Development of novel diagnostic techniques to measure heat release rate perturbations in flames

par Jingxuan Li

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Olivier Gicquel et de Thierry Schuller.

  • Titre traduit

    Développement de diagnostics alternatifs pour mesurer les fluctuations du taux de dégagement de chaleur dans les flammes


  • Résumé

    Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur sont souvent responsables d’intensification des flux thermiques aux parois, de vibrations et d’émissions sonores qui peuvent éventuellement dégénérer en instabilités thermo-acoustiques auto-entretenues. Ces phénomènes instationnaires dégradent les performances des foyers, provoquent un vieillissement prématuré de certains éléments de la chambre de combustion, voire des dégâts plus importants sur l’installation. Ces perturbations sont cependant difficiles à mesurer dans les foyers car il n’existe pas de diagnostic qui permette d'accéder directement au taux de dégagement de chaleur. L’objectif de ce travail est d'explorer deux alternatives aux solutions existantes pour accéder aux fluctuations du taux de dégagement de chaleur avec une bonne résolution temporelle. Ces nouvelles méthodes sont testées dans des configurations génériques parfaitement prémélangées pour des écoulements laminaires. La première méthode est une technique acoustique, qui repose sur la détermination du temps de vol d’ondes ultrasonores qui traversent l’écoulement. Les fluctuations du temps de vol de ces ondes sont utilisées pour détecter des perturbations de la largeur des gaz brûlés le long du chemin acoustique. Cette information permet de reconstituer les fluctuations du taux de dégagement de chaleur dans des flammes prémélangées. Les premières validations de cette méthode sont présentées pour des flammes en l'absence de perturbation externe lorsqu'elles présentent une instabilité de type Kelvin-Helmholtz pilotée par les phénomènes de flottabilité du panache des gaz brûlés. Des mesures sont ensuite conduites pour des flammes soumises à des modulations harmoniques de l'écoulement. Les données obtenues dans ces configurations sont comparées à des mesures optiques ainsi qu'à des prévisions analytiques. La seconde méthode est une technique optique utilisant un système d’interférométrie laser Doppler permettant de déterminer les fluctuations de densité intégrées le long du chemin optique. On montre dans un premier temps que les perturbations de densité sont principalement causées par des fluctuations du taux de dégagement de chaleur lorsque les flammes sont confinées. Un lien est établi pour reconstituer les perturbations du taux de dégagement de chaleur exploitant le signal de l'interféromètre. La technique est validée pour des flammes pulsées pour différentes richesses et débits. Les données obtenues sont comparées à des mesures reposant sur la chimiluminescence de la flamme. Un bon accord est obtenu pour des modulations harmoniques de l'écoulement à différentes fréquences et niveaux de perturbation. Ce travail permet de valider le principe de ces deux techniques pour détecter les perturbations du taux de dégagement de chaleur lorsque l'accès optique à la zone de combustion est réduit et lorsque des informations quantitatives résolues temporellement sont nécessaires.


  • Résumé

    Heat release rate disturbances are the sources of additional thermal stresses, direct and indirect combustion noise and undesirable vibrations. In extreme cases, these perturbations may even cause destructive combustion instabilities. These quantities are difficult to measure in practical burners. The objective of this work is to develop two alternative diagnostics to measure heat release rate fluctuations in unsteady flames. These techniques are validated in generic configurations for perfectly premixed laminar flames. The first method is an acoustic technique, which is based on the measurement of the travel time of ultrasonic waves through the flames. Fluctuations of the sound propagation time transmission through unsteady flames are used to estimate perturbations in the burned gases width along the acoustic path. This information is then used to reconstruct heat release rate fluctuations. This technique is validated in the cases of unstable laminar premixed flames driven by buoyancy forces and for flames submitted to harmonic flow velocity modulations. Analytical expressions are derived linking fluctuations in heat release rate and disturbances of the sound travel time. Measurements made with this acoustic technique are compared with optical detections based on the flame chemiluminescence and with predictions from an analytical model. Good agreements are obtained between these different methods validating the proposed technique. The second method envisaged is an optical technique based on a Laser Interferometric Vibrometer used to measure integrated density perturbations along the optical path of a laser beam. It is shown that density disturbances along this path result mainly from heat release rate fluctuations when the flames are confined. A link is established to reconstruct heat release rate disturbances from the signal of the interferometer. The technique is validated in the case of pulsated laminar premixed flames. Measurements are compared to line-of-sight integrated chemiluminescence emission measurements. A good agreement is obtained for harmonic flow modulations at different forcing frequencies and perturbation levels for flames operating at different flow conditions. This work validates the principle of this alternative technique for detecting heat release rate perturbations.


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