Dynamique de l'injection et de la combustion dans des flammes de spray swirlées et couplage azimutale dans les foyers annulaires

par Guillaume Vignat

Projet de thèse en Combustion

Sous la direction de Sébastien Candel.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Objectif de la thèse On sait que les technologies de combustion propres envisagées pour les futures applications à la propulsion aéronautiques sont souvent perturbées par des instabilités de combustion. Cette éventualité doit être prise en compte dès la phase de conception afin de minimiser l'impact de ce type de phénomène dynamique sur le domaine de fonctionnement du moteur. Les instabilités de combustion soulèvent des défis scientifiques et technologiques difficiles. Ce projet de recherche s'inscrit dans un effort général pour comprendre les mécanismes qui sont à la source de ces phénomènes. On se propose de poursuivre les travaux initiés dans la thèse de Jean-François Bourgouin (soutenue en 2014) et dans celle de Kevin Prieur (qui doit être défendue en 2017). Ces deux thèses traitent plus particulièrement des instabilités couplées par des modes azimutaux dans des configurations annulaires comportant des injecteurs swirlés prémélangés ou diphasiques. Alors que la dynamique des flammes prémélangées est maintenant largement étudiée, celle des flammes formées par un spray de combustible liquide est moins bien documentée. D'autre part, les expériences bien contrôlées sur le couplage azimutal dans des foyers annulaires sont peu nombreuses. Il y a donc dans ce domaine un manque de connaissances considérable qu'il s'agit de combler. Des travaux sont déjà engagés à EM2C dans le cadre de la thèse de Kevin Prieur (Cifre Snecma). Ces recherches doivent aboutir en 2017. L'objectif des travaux proposés dans le cadre du projet décrit dans ce qui suit est de compléter ce travail à trois niveaux : • Au niveau expérimental, on se propose de développer les études de dynamique de flamme par des mesures de fonctions descriptive de flamme (Flame Describing Function) sur un foyer mono-injecteur. Cette configuration permet d'analyser les effets de paramètres géométriques et de paramètres de fonctionnement sur les gains et phase de la réponse de la flamme. On se propose aussi de caractériser l'impédance du dispositif d'injection pour mieux cerner l'influence de l'injecteur sur la réponse. • Des expériences seront aussi réalisées sur le foyer MICCASpray pour caractériser le couplage azimutal au moyen d'un dispositif combinant un réseau de capteurs microphoniques et un réseau de photomultiplicateurs assurant un suivi temporel des flammes formées par 8 injecteurs. • Au niveau théorique, l'objectif sera de poursuivre les travaux d'analyse théorique engagés en explorant des modèles dynamiques temporels et des modèles fréquentiels fondés sur une combinaison entre des calculs de modes au moyen de solveurs d'Helmholtz. L'objectif final des travaux est d'obtenir une compréhension physique des mécanismes et de faire évoluer les méthodes de prévision associées. Les connaissances et les outils issus des travaux de recherche pourront être utiles à la conception des architectures de chambre de combustion propre et permettre d'atteindre les objectifs ambitieux fixés en termes de réduction de la consommation de carburant et de niveaux d'émissions de polluants. Ces recherches pourraient ainsi participer à l'amélioration de la compétitivité de notre industrie aéronautique. Cadre des travaux Les travaux seront réalisés au laboratoire EM2C, CNRS dans le cadre d'un travail collaboratif lancé dans un projet de recherche actuellement proposé à l'Agence Nationale de la Recherche. Si ce projet est retenu, le candidat travaillera en étroite relation avec les laboratoires partenaires (CORIA, CNRS et CERFACS). Le projet a déjà franchi la première étape de sélection et il a obtenu des bonnes notes. S'il devait n'est pas retenu finalement, le travail serait réalisé avec le soutien déjà disponible dans le cadre du projet MICCASpray. Etat de l'art On peut d'abord noter que beaucoup de progrès a été accomplis dans le domaine des instabilités de combustion et que la compréhension des phénomènes est avancée. L'analyse de l'état de l'art qui va suivre traite uniquement des instabilités couplées par des modes azimutaux dans des configurations annulaires typiques de celles qui existent dans les applications. On va d'abord examiner les recherches numériques et théoriques avant de décrire le nombre relativement limité d'expériences détaillées. Un des faits marquants dans le domaine est l'utilisation de la simulation des grandes échelles (LES) pour étudier la dynamique de configurations annulaires. Ces simulations sont très prometteuses {Staffelbach: 2009, Wolf: 2012a, Wolf: 2012b} [1-3], mais elles demandent des ressources importantes en termes de ressources de CPU et ne fournissent que des réponses partielles en raison du coût de calcul. Ainsi par exemple, les simulations effectuées par {Wolf: 2012b} [3] font apparaître une instabilité azimutale d'une chambre de combustion dont la géométrie est typique de celles des chambres de turbines à gaz pour hélicoptères. Le système comporte un échappement critique et donne lieu préférentiellement à un mode stationnaire avec une commutation vers un mode azimutal tournant. Ces calculs montrent comment les flammes répondent au mode qui assure le couplage. Bien que l'effort LES soit actuellement poursuivi, d'autres stratégies numériques ont été développées qui ne nécessitent pas le même niveau de ressources informatiques et sont mieux adaptées aux besoins de conception. En ce sens, les méthodes reposant sur des solveurs d'Helmholtz sont maintenant utilisées pour rendre compte de la complexité géométrique des systèmes annulaires. Ces méthodes peuvent être utilisées pour développer des analyses linéaires et non linéaires de la stabilité des dispositifs réels {Nicoud: 2007, Camporeale: 2011} [4-5]. Cependant, l'analyse nécessite des données relatives à la dynamique de flamme qui est habituellement fournie en termes de Fonctions Descriptives de Flammes (Flame Describing Function). La réponse de la flamme est représentée par une fonction de transfert qui dépend du niveau des perturbations entrantes. Cette extension non linéaire de la notion de fonction de transfert de flamme a été étudiée dans un certain nombre d'analyses récentes d'instabilité qui considèrent dans la plupart des cas un couplage longitudinal. L'application à des situations d'instabilités annulaires couplées par des modes azimutaux est plus récente car les FDF ne sont pas souvent disponibles. Des améliorations récentes {Campa: 2014} [6] permettent d'effectuer des analyses détaillées de l'effet du délai introduit par les fonctions de transfert de flamme sur la stabilité de la combustion, mais il n'y pas de comparaisons expérimentales. Les travaux de {Laera: 2016}[7] comblent cette lacune et offrent une démonstration complète d'une analyse d'instabilité réalisée en combinant un solveur d'Helmholtz et les données FDF avec application à l'analyse des modes dans la chambre de combustion annulaire MICCA du laboratoire EM2C. De nombreuses recherches théoriques reposent sur des modèles d'ordre réduit qui fournissent une description physique de la dynamique du système et sont simples à mettre en œuvre. Cette possibilité est illustrée par {Kruger: 2001, Stow: 2001, Evesque: 2002, Schuermans: 2003, Dowling: 2003, Morgans: 2007} [8-13]. Les résultats obtenus ne sont généralement pas sous une forme analytique et ils dépendent des conditions aux limites acoustiques mesurées et des déterminations de la dynamique de la flamme de chaque brûleur. Ces modèles utilisent des représentations approximatives de la géométrie, de la propagation acoustique et de la réponse de la flamme. Beaucoup de modélisations traitent du couplage azimutal dans des systèmes annulaires. Il est indiqué par exemple dans {Schuermans: 2006} [14] qu'un mode tournant apparaît si toutes les réponses des brûleurs disposés dans la chambre sont identiques. D'après ces auteurs le mode tournant prévaut en raison de la réponse non linéaire de la flamme. Cet aspect est également discuté par {Noiray: 2011} [15] qui représentent la non-linéarité de la réponse de la flamme en exprimant le taux de dégagement de chaleur sous la forme d'un polynôme du troisième ordre en fonction de la fluctuation de pression. Selon cette analyse, lorsque tous les brûleurs ont une réponse commune, le couplage est réalisé par un mode tournant. Des variations dans la dynamique de flamme associées à des modifications de certains brûleurs, conduisent à un mode stationnaire. Les effets associés à des fluctuations stochastiques correspondant à la turbulence conduisent à une commutation aléatoire entre les modes stationnaires et les modes tournants {Noiray: 2013} [16] un phénomène qui est généralement observé dans les chambres de combustion équipées d'injecteurs swirlés turbulents {Krebs: 2002, Worth: 2013a, Worth: 2013b, Bourgouin: 2013}[17-20]. Dans une série d'articles récents {Ghirardo: 2015, Ghirardo: 2015b} [21-22] utilisent une expression non linéaire plus générale du taux de dégagement de chaleur en fonction de la pression. Les flammes sont représentées comme des sources ponctuelles distribuées périodiquement dans la chambre annulaire. Ce problème modèle est utilisé pour étudier la stabilité du système et examiner la nature des modes de couplage. On constate que l'instabilité thermoacoustique peut être stationnaire ou tournante en fonction du nombre de brûleurs et de la non linéarité de la réponse de la flamme. Les études précédentes {Schuermans: 2006 Noiray: 2011, Noiray: 2013, Ghirardo: 2015a, Ghirardo: 2015b} [14-16, 21, 22] ne considèrent pas la présence d'un plénum, mais la chambre comprend un ensemble de brûleurs distribué périodiquement. {Bauerheim: 2014a, Bauerheim: 2014b} [23-24] développent un modèle analytique qui est complet, comprenant une chambre de combustion, un plénum et N brûleurs répartis autour de la circonférence de la chambre. En fonction du niveau du couplage acoustique entre les deux cavités {Schuller: 2012} [25], et suivant l'amplitude et le délai de la fonction de transfert des brûleurs, ces auteurs montrent que les deux types de modes, stationnaire ou tournant, peuvent apparaître. Cette revue de la littérature indique que les modèles d'ordre réduit fournissent des indices intéressants sur la physique des interactions acoustiques avec la combustion, mais on remarque aussi que les prédictions ne sont pas souvent comparées aux données expérimentales principalement parce que les expériences bien contrôlées ne sont pas disponibles. Ce type d'expériences pose en effet des difficultés pratiques : • Dans la plupart des cas, les oscillations sont observées au cycle limite et les taux de croissance ne sont pas disponibles {Krebs: 2002, Worth: 2013a, Worth: 2013b, Bourgouin: 2013b} [17-20], • Dans de nombreuses études l'oscillation est caractérisée uniquement par des variations de pression détectées sur les parois de la chambre (par exemple {Krebs: 2002}) [17] • Dans certaines expériences, la dynamique de flamme est observée, mais les signaux de pression ne sont pas documentés {Worth: 2013a, Worth: 2013b} [18,19], • Dans de nombreuses études, les flammes sont turbulente et l'oscillation évolue en continu à partir d'un mode stationnaire vers un mode tournant {Bourgouin: 2013b} [20]. Le nombre d'expériences dans lesquelles il y a un couplage résonnant dans une configuration annulaire est assez réduit. Un cas intéressant est celui étudié par {Moeck: 2010} [26], mais les brûleurs sont remplacés par des tubes Rijke chauffés électriquement et la chambre annulaire n'a pas plénum. Cette configuration présente des oscillations auto-entretenues couplées par des modes azimutaux qui restent stables dans le temps pour des conditions d'essai à débit fixé. D'autres recherches expérimentales sur le foyer MICCA du laboratoire EM2C font apparaître des cycles limites stables couplés par des modes azimutaux {Durox: 2013, Bourgouin: 2014, Bourgouin: 2015} [27-29]. Ces études font usage de seize brûleurs matriciels alimentant la chambre annulaire et opérant dans un régime laminaire de flamme prémélangée. Des modes tournants purs ou modes des modes stationnaires purs {Durox: 2013} [27] sont observés en fonction du rapport de vitesse d'injection et de la richesse. Le problème de la sélection du type de mode (tournant ou stationnaire) est étudié actuellement dans le cadre de la thèse de Kevin Prieur [29]. Cette analyse de la littérature montre qu'il y a beaucoup de choses à faire au niveau expérimental et dans le domaine de la modélisation. L'objectif de cette thèse est précisément, de compléter la base d'informations sur les systèmes annulaires diphasiques et de développer des modélisations théoriques adaptées fondées sur la mesure des FDF et des impédances d'injecteurs.

  • Titre traduit

    Injection and combustion dynamics of spray swirl flames in annular combustion systems


  • Résumé

    The clean combustion technologies considered for the future of aeronautics propulsion are often affected by combustion instabilities. These must be taken in account as early as the design stage in order to minimize the impact of these dynamic phenomenons on the engine's flight enveloppe. Combustion instabilities raise hard scientific and technologic challenges. This research project is part of a general effort to better understand the mechanisms underlying those phenomenons. This work follows Jean Francois Bourguoin and Kevin Prieur's doctoral works. They studied more specifically instabilities coupled by azymuthal modes in annular combustor with swirl-stabilised premixed or diphasic burners. Although the dynamic of premixed flames has now been largely studied, the flames formed by a liquid spray of fuel have been the subject of much less work. Furthermore, well controlled experiments on azymuthal coupling in annular chambers are few in number. Thus, there is in this field a considerable lack of knowledge to work on. Kevin Prieur (Cifre Safran Airplane Engine) has started work on the subject at EM2C and is due to finish in 2017. The present work's goal is to complete Kevin Prieur's in three ways: - On the experimental level, it is necesary to work on flame dynamics study by Flame Describing Functions measurements on a single injector combustor. Thus the effects of geometry and operation point on the gain and phase of the flame response will be analysed. The impedance of the injection system will also be studied in order to study its influence on the flame response. - The MiccaSpray combustor will also be used to study the azimuthal coupling using a network of microphones and photomultiplicators. - On the theoritical side, the focus will be to continue theoritical analyses by exploring dynamical temporal and frequential models using eigenvalues calculations.