Étude de la stabilisation des flammes et des comportements transitoires dans un brûleur étagé à combustible liquide à l'aide de diagnostics rapides

High-speed diagnostics for the study of flame stabilization and transient behaviour in a swirled burner with variable liquid-fuel distribution

• Auteur / Autrice : Antoine Renaud
• Direction : Sébastien Ducruix, Laurent Zimmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 07/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Ducruix, Laurent Zimmer, Christine Mounaïm-Rousselle, Yannis Hardalupas, Yoann Méry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Grisch, Philippe Guibert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Moteurs

Hystérésis

Combustion

Mots clés libres

Combustion turbulente

Lean Premixed Prevaporized (LPP)

Injection multipoint

Hystérésis

Décomposition en Modes Dynamiques (DMD)

Turbulent combustion

Lean Premixed Prevaporized (LPP)

Multipoint injection

Hysteresis

Dynamic Mode Decomposition (DMD)

Résumé

La combustion prévaporisée prémélangée pauvre est une piste de choix pour réduire les émissions polluantes des moteurs d'avions mais peut conduire à l'apparition d'instabilités thermo-acoustiques. Afin d'améliorer la stabilité de telles flammes, l'étagement du combustible consiste à contrôler la distribution spatiale du carburant. Une telle procédure s'accompagne cependant d'une complexité accrue du système pouvant déboucher sur des phénomènes inattendus.Un brûleur à l'échelle de laboratoire alimenté par du dodécane liquide est utilisé dans cette thèse. Le combustible est injecté dans deux étages séparés, permettant ainsi de contrôler sa distribution. Cette particularité permet l'observation de différentes formes de flammes et notamment de points bistables pour lesquels deux flammes différentes peuvent exister malgré des conditions opératoires identiques.L'utilisation de diagnostics optiques à haute cadence (diffusion de Mie des gouttes de combustible et émission spontanée de la flamme) est couplée à des méthodes de post-traitement avancées comme la Décomposition en Modes Dynamiques. Ainsi, des mécanismes pilotant la stabilisation des flammes ainsi que leurs changements de forme sont proposés. Ils mettent notamment en lumière les interactions entre l'écoulement gazeux, les gouttes de combustible et la flamme.

A promising way to reduce jet engines pollutant emissions is the use of lean premixed prevaporized combustion but it tends to trigger thermo-acoustic instabilities. To improve the stability of these flames, a procedure called staging consists in splitting the fuel injection to control its spatial distribution. This however leads to an increased complexity and unexpected phenomena can occur.In the present work, a model gas turbine combustor fed with liquid dodecane is used. It is equipped with two fuel injection stages to control the fuel distribution in the burner. Different flame stabilizations can be observed and a bistable case where two flame shapes can exist for the same operating conditions is highlighted.High-speed optical diagnostics (fuel droplets Mie scatering and chemiluminescence measurements) are coupled with advanced post-processing methods like Dynamic Mode Decomposition. The results enable to propose mechanisms leading to flame stabilization and flame shape transitions. They show a strong interplay between the gaseous flow, the fuel droplets and the flame itself.