Etude conjointe numérique et expérimentale des instabilités thermoacoustiques

Joint numerical and experimental study of thermoacoustic instabilities

• Auteur / Autrice : Maxence Brebion
• Direction : Thierry Poinsot, Laurent Selle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 27/01/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Nicoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Laurent Selle, Wolfgang Polifke, Thierry Schuller, Christophe Bailly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wolfgang Polifke, Thierry Schuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres de combustion

Transfert de chaleur

Stabilité

Effet thermoacoustique

Mots clés libres

Instabilité de combustion

Fonction de transfert de flamme

Transfert de chaleur

Dissipation acoustique

Perte de charge

Modèle réseau acoustique

Combustion instability

Flame transfer function

Heat-transfer

Acoustic dissipation

Pressure loss

Network model

Résumé

Les instabilités thermo-acoustiques se rencontrent fréquemment au sein des chambres de combustion de toute taille, de la petite chaudière au moteur de fusée. Ces instabilités sont causées par le couplage entre ondes acoustiques et dégagement de chaleur instationnaire. En effet, le passage d'une onde acoustique au travers d'une flamme va moduler son dégagement de chaleur qui, en retour, va générer de nouvelles ondes acoustiques. Lorsqu'une chambre de combustion entre en instabilité, d'importantes variations de pression sont observées ; ces fluctuations peuvent user prématurément le système ou altérer ses performances. L'étude des instabilités thermo-acoustiques a pour but d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes complexes afin de les prévenir. L'objectif de ce travail est d'obtenir et d'intégrer au sein de modèles réduits des descriptions précises de la dissipation acoustique – effet stabilisant - et d'interaction flamme/acoustique – effet déstabilisant. Cette étude se décompose en trois axes : La première partie développe le concept de « modèle acoustique réduit » qui permet de prédire les modes acoustiques d'une chambre de combustion. Pour cela, sont prises en compte les dissipations inhérentes à certaines pièces(diaphragmes, injecteurs, ...) ainsi que le couplage flamme/acoustique. Une fois le modèle établi, il convient d'en chercher les solutions à l'aide d'un solveur numérique spécialement conçu pour cette tâche. Dans une deuxième partie, un banc expérimental est utilisé pour caractériser le lien entre perte de charge et dissipation acoustique. Il est montré de manière théorique et expérimentale que la connaissance des pertes de charge au travers d'un élément permet de prédire son comportement acoustique à basse fréquence. La dernière partie concerne le couplage flamme/acoustique et plus spécifiquement l'influence de la température de l'accroche-flamme :une flamme pauvre pré-mélangée air/méthane est stabilisée sur un cylindre dont la température peut être contrôlée. Ainsi, il est montré que l'influence de la température du cylindre sur la flamme – position d'équilibre, dynamique et stabilité - est remarquable.

From small scale energy systems such as domestic boilers up to rocket motors, combustion chambers are often prone to combustion instabilities. These instabilities stem from the coupling of unsteady heat release rate and acoustic waves. This coupling is two sided: flame front perturbations generate acoustic waves while acoustic waves impinging on flame holders can disturb flames attached on them. Important pressure and velocity oscillations can be reached during unstable regimes, that can alter its efficiency or even damage the entire combustion chamber. One major challenge is to understand, predict, and prevent from these combustion instabilities. The objectives of this thesis are twofold: (1) take into account acoustic dissipation and (2)analyze flame/acoustic coupling to obtain Reduced Order Model (ROM) for combustion instabilities. This work is divided into three parts. First, the concept of ROM that gives the acoustic modes of a combustion chamber is introduced. This modeling strategy is based on the acoustic network theory and may take into account flame/acoustic coupling as well as acoustic dissipation. An efficient numerical algorithm dedicated to solve ROMs was designed on purpose and validated on several academical configurations. Second, an experimental rig was commissioned to study mean and acoustic pressure losses across a diaphragm and two swirl injectors. Results show that these two phenomena are linked and can be simply incorporated into ROMs. Finally, flame/acoustic coupling is investigated by using both direct numerical simulations and experiments: a lean premixed V-shaped laminar flame is anchored on a cylindrical bluff-body and we show that its temperature greatly influences the flame mean shape as well as its dynamics.