Mécanismes d'instabilité de combustion dans un foyer à flammes non prémélangées simulant l'injection dans un moteur fusée cryogénique

Combustion instability mecanism in a combustor with non-premixed flames as simulated injection in a cryogenic rocket

• Auteur / Autrice : Souad Zikikout
• Direction : Sébastien Candel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance en 1988
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Oscillations

Mots clés libres

Foyer à flammes

Moteur-fusée cryogénique

Instabilité de combustion

Instabilite acoustique

Analyse modale

Résumé

Un grand nombre de problèmes de combustion sont rencontrés dans le développement et l'amélioration des systèmes propulsifs. Ces problèmes concernent surtout l'allumage, la stabilisation de la flamme, le phénomène d'extinction et les oscillations de pression de basse et de haute fréquence. Ces divers aspects sont étudiés dans cette thèse à l'aide d'un dispositif expérimental simulant l'injection et la combustion dans le moteur Vulcain de la fusée Ariane 5. La conception du foyer s'appuie sur une analyse des conditions de similitude. La configuration retenue comporte six flammes non prémélangées d'air et de propane ou d'air et d'hydrogène. Le mécanisme d'allumage est analysé par cinématographie rapide et strioscopie. L'initiation de la combustion a lieu uniquement à faible débit d'air et forte richesse. L'émission moyenne des radicaux libres C2, CH et OH a permis de localiser et caractériser les zones de réaction vive, ce qui a rendu possible la détermination du délai d'inflammation. Ces mesures ont été utilisées dans des comparaisons avec des modèles théoriques décrivant la combustion turbulente non prémélangée. L'analyse spectrale des signaux acoustiques et du dégagement de chaleur instationnaire à différents débit d'air et rapport d'équivalence, a montré l'existence de deux types d'oscillations de basse fréquence: (1) Une oscillation de grande amplitude à 230Hz. Cette fréquence correspond à l'un des modes longitudinaux de l'installation. Le couplage entre ce mode acoustique et le dégagement de chaleur instationnaire s'effectue par des fluctuations de vitesse au niveau des fentes d'entrée, produisant une combustion cyclique. Ce phénomène a été analysé à l'aide d'un modèle basé sur la théorie de Crocco et le concept du délai total, (2) Une oscillation à 360 Hz due à l'interaction par collision périodique des différentes nappes de flamme et entraînant l'extinction partielle des injecteurs. Une méthode originale d'excitation modale a permis de mettre les flammes en oscillation transverse. Les visualisations effectuées par cinématographie rapide en strioscopie montrent que les nappes de flamme prennent une forme en dent de scie. Les observations faites sur la réponse des différentes nappes de flamme à l'excitation montrent qu'il est possible de modéliser e dégagement de chaleur instationnaire en faisant intervenir un couplage avec la fluctuation transversale de vitesse à l'injection. Le modèle proposé s'appuie sur l'idée que les déplacements produits dans le plan d'injection par des fluctuations de la vitesse transversale conduisent à une augmentation du mélange des réactifs qui se traduit après un certain délai par un dégagement de chaleur accrue. Les résultats obtenus font apparaître que ce couplage nécessite la présence d'au moins deux modes. Ce modèle donne une base théorique aux observations effectuées à l'aide de l'excitation modale.

Many combustion problems have to be adressed for the design of a cryogenic rocket engine. The most important questions are ignition, flame stabilisation, extinction, pressure oscillations at low and high frequencies. These different phenomena are studied in a model combustor simulating the injection and the combustion process of the Ariane 5 rocket engine. The design of the combustor is defined by dimensional analysis. The similarity criteria retained lead to a six non-premixed flames of air and propane or air and hydrogen. Ignition mechanisms are studied with high speed schlieren imaging. It is found that the flame is ignited at very low air mass flow rate and high equivalence ratio. C2, CH and OH radiation measurements provide information on the heat release in the reaction zone and allow a determination of the ignition time lag. These results can be used for comparisons with numerical models of non-premixed flames. Spectral analysis of both the acoustic and free radicals light emission signais detected for each operating conditions shows that combustion instabilities occur when the pressure fluctuations are coupled with the heat release. We identify two different instability modes : (1) an intense low frequency pressure oscillations at 230Hz with periodic combustion. Large velocity fluctuations are produced at the injection plane and lead to cyclic reaction initiation and quenching. The coupling between the heat release and the acoustics is shown to drive the fluctuations. A theoretical model is proposed to determine low frequency instability limits in such circumstances, (2) a low frequency instability at 360 Hz produced by the interaction between the different flames taking the form of intense collisions and leading to total extinction of one or several injectors. Mode selective excitation is used to drive high frequency transverse oscillations. A theoretical formulation of the acoustic forcing in the combustor without flow and free of chemical reaction provides results which are in satisfactory agreement with experimental data. With combustion and under selective excitation the flames exhibit striking features. A sinuous motion is set up. These observations suggest that the unsteady heat release can be expressed in terms of the velocity fluctuations at the inlet plane. An instability model with heat release is then developed and it relies on the combustion sensitivity to velocity fluctuations. The displacements produced by the transverse velocity at the dump increase the mixing and activate the heat release after a certain delay. It is found that the coupling between heat release and transverse velocity fluctuations requires the presence of two modes. This model gives a theoretical basis for the experimental study performed with excitation.