Simulations aux Grandes Echelles de la Dynamique de Flammes Diphasiques en Ecoulement Tournant Soumises à une Modulation Externe

par Leo Cunha Caldeira Mesquita

Projet de thèse en Combustion

Sous la direction de Sebastien Ducruix et de Aymeric Vie.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    En raison de préoccupations économiques et environnementales et face à une nouvelle réglementation stricte de la pollution, les fabricants de turbines à gaz aéronautiques et industriels recherchent de nouvelles technologies. Les objectifs de réduction des émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de monoxyde de carbone (CO) ne sont pas compatibles avec les régimes de diffusion classiques, habituellement préférés pour des raisons de stabilité et de sécurité. Cette question a conduit au développement de brûleurs "Lean Premixed Prevaporized" (LPP), destinés à une combustion plus propre et plus efficace. La stratégie adoptée consiste à fournir à la chambre de combustion un mélange pauvre et homogène d'air et de combustible vaporisé afin d'éviter la formation de NOx par le mécanisme thermique en réduisant la température de la flamme. Cependant, les chambres de combustion LPP sont sujettes à une extinction locale ou globale en raison de la limite de mélange très maigre qui est ciblée et à des risques de flashback et d'instabilité thermo-acoustique forts qui sont connus pour être associés à des flammes prémélangées et partiellement prémélangées. Pour améliorer le processus de stabilisation de la flamme, les zones de recirculation des gaz brûlés sont générées grâce à des courants très tourbillonnants qui sont également utilisés pour améliorer le mélange et réduire les risques de soufflage de la flamme. L'utilisation d'une injection pilote dans la zone d'injection primaire du brûleur permet de développer une flamme pilote dans la partie amont de la zone de combustion qui est utile pour empêcher le soufflage et étendre la carte de fonctionnement en améliorant la stabilité de la flamme. Une deuxième zone d'injection peut être envisagée, dans laquelle le carburant est délivré par un dispositif multi-injection pour fixer l'évaporation et le mélange, conduisant à une flamme pauvre à basse température, favorisant théoriquement des émissions de polluants faibles. Jouer avec ces deux types d'injection à puissance constante modifiera drastiquement les régimes de combustion, la forme et / ou la position de la flamme et par conséquent le comportement dynamique de la chambre de combustion. Plusieurs configurations expérimentales ont été conçues et construites au cours des dix dernières années en utilisant du combustible liquide dans un cadre LPP pour se rapprocher des situations pratiques et des bases de données étendues ont été élaborées. La chambre de combustion BIMER a été conçue et exploitée au laboratoire EM2C depuis dix ans. Cette configuration étagée se compose d'une étape d'injection multipoint qui peut conduire à des régimes LPP et des faibles émissions associées au prix d'une forte sensibilité aux instabilités thermo-acoustiques. Une étape pilote complémentaire vise à générer une flamme plus stable en utilisant des régimes de type diffusion. Toujours à l'EM2C, B. Cheneau a simulé la configuration BIMER lors de son doctorat en utilisant AVBP, développé conjointement par CERFACS et IFPEN. En étudiant les conditions d'exploitation extrêmes, le pilote pur ou l'injection multipoint pure à la même puissance, il a étudié la topologie du champ d'écoulement et la zone de réaction pour les deux limites. Il a ensuite été possible d'identifier les contributions potentielles de chaque étape pour un point de fonctionnement intermédiaire, avec des injections mixtes pilotes et multi-points. Nous simulons également des points intermédiaires afin de récupérer les modifications de forme associées mais aussi le phénomène d'hystérésis découvert lors de campagnes expérimentales sur BIMER. La présente étude suit le travail de B. Cheneau sur le terrain. L'objectif principal est d'adapter les simulations numériques aux conditions d'exploitation expérimentales les plus récentes, pour lesquelles le système peut être soumis à un forçage externe à l'aide d'une sirène. Cette configuration vise à étudier la réponse des flammes aux oscillations contrôlées et aux transitions entre tous les types possibles de flammes. Le présent travail sera réalisé à l'aide d'AVBP et bénéficiera de la base de données numériques créée à EM2C sur le banc d'essai BIMER. Les tâches suivantes sont envisagées: 1. Simulation de nouvelles conditions de fonctionnement des expériences, à partir de la configuration numérique de B. Cheneau. Phase de validation en comparant avec les bases de données expérimentales existantes de BIMER pour la valeur spécifique du facteur d'étagement. 2. Comparaison entre les formalismes lagrangien et eulérien pour la phase dispersée. 3. Etude de l'impact de la valeur du facteur d'étagement sur le régime d'exploitation et la forme de la flamme. Les résultats devraient en particulier montrer le même type de bifurcation observé expérimentalement dans la thèse de A. Renaud. 4. Analyse des conditions de pulsation et de l'impact sur la structure et la forme de la flamme. Influence sur le développement du noyau vortex et les instabilités thermo-acoustiques. 5. Fonction de transfert de flamme (FTF) et / ou description de flamme (FDF) pour un ensemble spécifique de conditions de fonctionnement.

  • Titre traduit

    Large Eddy Simulations of the Dynamics of Two-Phase Swirling Flames Submitted to External Modulations


  • Résumé

    Due to economic and environmental concerns and facing new stringent pollution regulation, aeronautical and industrial (ground) gas-turbine manufacturers are looking for new technologies. Objectives for emissions of nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxides (CO) are usually not compatible with classical diffusion regimes, usually preferred for stability and safety reasons. This issue led to the development of so-called Lean Premixed Prevaporized (LPP) burners aiming at cleaner and more efficient combustion. The strategy adopted is to supply the combustion chamber with a lean and homogeneous mixture of air and vaporized fuel in order to prevent the formation of NOx through thermal mechanism by reducing the flame temperature. However, LPP combustors are prone to local or global extinction due to the very lean mixture limit that is targeted, and to flashback and strong thermo-acoustic instability risks known to be associated with premixed and partially premixed flames. To improve the flame stabilization process, burnt gas recirculation zones are generated thanks to highly swirling flows that are also used to enhance mixing and limit blow-off risks. Using a pilot injection in the burner primary injection zone makes it possible to develop a piloting flame in the upstream part of the combustion region that is useful to prevent blow-off and extend the operation map by improving the flame stability. A second injection zone can be envisaged, in which the fuel is delivered through a multi-injection device to fasten evaporation and mixing, leading to a low temperature lean flame, theoretically promoting low pollutant emissions. Playing with these two injection types at constant power will drastically modify the combustion regimes, the flame shape and/or position and consequently the whole combustor dynamical behaviour. Several experimental setups have been designed and built over the past ten years using liquid fuel in a LPP framework to get closer to practical situations and extensive databases have been elaborated. The BIMER combustor has been designed and operated at EM2C laboratory for the past ten years [8, 9]. This staged configuration is composed of a multi-point injection stage that can lead to LPP regimes and associated low emissions at the cost of a strong sensitivity to thermo-acoustic instabilities. A complementary pilot stage aims at generating a more stable flame using diffusion-like regimes. Still at EM2C, B. Cheneau has simulated the BIMER configuration during his PhD using AVBP, jointly developed by CERFACS and IFPEN. By investigating the extreme operating conditions, pure pilot or pure multi-point injection at the same power, he has investigated the topology of the flow field and the reaction zone for both limits [3]. It was then possible to identify the potential contributions of each stage for an intermediate operating point, with mixed pilot and multi-point injections. We are also simulating intermediate operating points, in order to retrieve the associated shape modifications but also the hysteresis phenomenon discovered during experimental campaigns on BIMER [8, 9]. The present study follows B. Cheneau's work in the field. The main objective is to adapt the numerical simulations to the more recent experimental operating conditions, for which the system can be submitted to external flow forcing using a siren. This setup aims at studying the response of flames to controlled oscillations and transitions between all the possible flame types. The present work will be carried out using AVBP and will benefit from the nascent numerical database created at EM2C on the BIMER testbench. The following tasks are envisioned: 1. Simulation of new operating conditions of the experiments, starting from the numerical setup of B. Cheneau. Validation phase by comparing with existing BIMER experimental databases for specific staging factor value. 2. Comparison between Lagrangian and Eulerian formalisms for the disperse phase. 3. Study of the impact of the staging factor value on the operating regime and flame shape. Results should in particular show the same bifurcation type as observed experimentally in [10]. 4. Analysis of pulsating conditions and impact on the flame structure and shape. Influence on precessing vortex core development and thermoacoustic instabilities. 5. Flame Transfer Function (FTF) and/or Flame Describing Function (FDF) for a specific set of operating conditions.