Linear and nonlinear analysis of the acoustic response of perforated plates traversed by a bias flow

par Alessandro Scarpato

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Thierry Schuller et de Sébastien Ducruix.

Le président du jury était Yves Aurégan.

Le jury était composé de Bruno Schuermans.

Les rapporteurs étaient A. Hirschberg, Franck Nicoud.

  • Titre traduit

    Analyse linéaire et non linéaire de la réponse acoustique de plaques perforées traversées par un écoulement moyen


  • Résumé

    Les instabilités thermo-acoustiques causent des problèmes récurrents dans les chambres de combustion pour une large gamme d'applications industrielles, allant des chaudières domestiques aux turbines à gaz, en passant par les moteurs fusées. Ces phénomènes résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et les modes acoustiques du foyer, et peuvent donner lieu à de fortes vibrations, un vieillissement prématuré des composants de la chambre, voire des dommages structurels. Les mécanismes physiques mis en jeu sont complexes et difficiles à modéliser, ainsi les oscillations thermo-acoustiques ne sont pas facilement prévisibles au stade de la conception d’une chambre de combustion. Dans de nombreux foyers, des systèmes d’amortissement passifs sont installés pour augmenter la dissipation d’énergie acoustique et empêcher le développement de ces instabilités. Dans ce travail, des systèmes d’amortissement basés sur des plaques perforées couplées à une cavité résonante et traversées par un écoulement moyen sont analysés. Les principaux objectifs sont : (i) d’améliorer et de simplifier la conception de systèmes d’amortissement robustes en maximisant leurs propriétés d’absorption acoustique en régime linéaire, (ii) d’analyser l’effet de l’amplitude des ondes sonores incidentes sur la réponse acoustique des plaques perforées et (iii) de développer des modèles capables de reproduire cette réponse aux hautes amplitudes. Tout d’abord, deux régimes asymptotiques intéressants sont identifiés où le système fonctionne à faibles et forts nombres de Strouhal respectivement. Dans ces régimes la conception d’un système d’amortissement maximisant l’absorption acoustique est grandement simplifiée, puisque les calculs de la vitesse optimale de l’écoulement et de la taille de la cavité sont découplés. Il est démontré qu’à faible nombre de Strouhal le système se comporte comme un résonateur quart d’onde, et dispose d’une bande d’absorption très large. À fort nombre de Strouhal, le système fonctionne comme un résonateur de Helmholtz, comportant une cavité de taille plus réduite, mais une bande d’absorption beaucoup plus étroite que dans le régime précédent. Ces prévisions sont confirmées par des mesures réalisées dans les différents régimes identifiés sur un dispositif expérimental dédié. L’évolution des propriétés acoustiques d’une plaque perforée lorsque l’amplitude de forçage augmente est ensuite examinée par le biais de simulations directes. Il est montré que la transition du régime linéaire au régime non linéaire se produit lorsque l’amplitude de la vitesse acoustique dans l’orifice est comparable à la vitesse de l’écoulement moyen dans les trous. Pour des amplitudes élevées, une inversion périodique de l’écoulement est observée dans l’orifice. Des anneaux tourbillonnaires sont alternativement éjectés en amont et en aval de l’orifice à une vitesse de convection qui augmente avec l’amplitude de la perturbation acoustique. Ces mécanismes influencent profondément l’absorption acoustique des plaques perforées dans le régime non linéaire. Deux nouveaux modèles décrivant la réponse non linéaire de ces systèmes sont ensuite développés en exploitant la trajectoire des vortex (modèle VC), et une approche quasi-stationnaire (modèle IDF). Les prévisions de ces modèles sont confrontées à des mesures effectuées dans le tube à impédance et aux résultats de simulations directes. Les résultats obtenus au cours de ces travaux peuvent être utilisés pour guider la conception de systèmes d’absorption robustes, capables de fonctionner dans des environnements difficiles avec des niveaux sonores élevés, comme ceux rencontrés lors d’instabilités thermo-acoustiques.


  • Résumé

    Thermo-acoustic instabilities are of primary concern in combustion chambers for a wide range of industrial applications, from domestic boiler to gas turbines or rocket engines. They are the consequence of a resonant coupling between the flame dynamics and the acoustic modes of the combustor, and can result in strong vibrations, early aging of combustor components and structural damage. The physical mechanisms involved are complex and difficult to model, thus thermo-acoustic oscillations are not easily predictable at the design stage of a combustor. In many combustors, passive dampers are implemented to increase the acoustic energy dissipation of the system and to hinder detrimental flame-acoustics interactions. In the present work, passive damping systems based on perforated screens backed by a resonant cavity and traversed by a bias flow are investigated. The main objectives are: (i) to improve and simplify the design of these dampers by maximizing their acoustic absorption properties in the linear regime, (ii) to analyze the effect of the sound wave amplitude on the acoustic response of these systems and (iii) to develop models capable of capturing absorption at high oscillation amplitudes. First, two interesting asymptotic regimes are identified where the plate operates at low and high Strouhal numbers respectively. In these regimes the design of a damper maximizing absorption is greatly simplified, since the choice of the optimal bias flow velocity and back cavity size can be decoupled. It is shown that at low Strouhal numbers the damper behaves as a quarter-wave resonator, and features a wide absorption bandwidth. At high Strouhal numbers, the system operates as a Helmholtz resonator, featuring shorter optimal back cavity sizes but narrower absorption bandwidths. These predictions are compared to measurements in a dedicated experimental setup for the different operating regimes identified. The dependence of the acoustic properties of a perforated plate on the forcing amplitude is then examined by means of direct numerical simulations. It is shown that transition from linear to nonlinear regimes occurs when the acoustic velocity amplitude in the orifice is comparable to the mean bias flow velocity. At high amplitudes, periodic flow reversal is observed within the perforation, vortex rings are alternatively shed upstream and downstream of the hole and convected away at a velocity which is increasing with the forcing amplitude. These mechanisms greatly influence the acoustic absorption of the perforate in the nonlinear regime. Two novel models capturing this nonlinear response are then inferred based on an analysis of the vortex trajectory (VC model), and on a quasi-steady description of the flow (IDF model). Their predictions are finally compared to measurements conducted in an impedance tube, and to results from numerical simulations. The results obtained in this work can be used to ease the design of robust dampers capable of operating in harsh environments with high sound levels, such as those found during self-sustained thermo-acoustic instabilities.


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