Influence de la condition limite acoustique amont sur les instabilités de combustion de grande amplitude : conception d’un système robuste de contrôle d’impédance

Influence of inlet acoustic boundary condition on large amplitude combustion instabilities : design of a robust impedance control system

• Auteur / Autrice : Nicolas Tran
• Direction : Sébastien Candel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 03/04/2009
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Jury : Président / Présidente : Yves Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Candel, Franck, Nicoud, Sébastien, Ducruix, Abraham, Hirschberg, Thierry Schuller, C. Nottin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique

Moteurs -- Combustion

Mots clés libres

Combustion

Acoustique

Instabilités thermoacoustiques

Contrôle Passif

Plaques Perforées

Combustion

Thermo-acoustic instabilities

Passive Control

Résumé

Les contraintes économiques, environnementales et sociétales de ces vingt dernières années notamment dans les domaines de l’énergie et des transports ont débouché sur le développement de nouvelles technologies faisant intervenir la combustion pauvre et prémélangée. Ce mode de combustion à partir d'un mélange homogène conduit à des températures de flamme plus faibles qui permettent de réduire les émissions d'oxydes d'azote tout en limitant la production d'oxydes de carbone. Pour autant, la combustion pauvre prémélangée présente le désavantage d’être sensible à toute forme de couplage notamment acoustique, menant à des instabilités de combustion. Ces instabilités sont largement étudiées, mais restent très difficiles à prévoir car elles font intervenir de nombreux phénomènes physiques multi-échelles. Dans la plupart des cas les oscillations résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et l’acoustique du système. Les conditions aux limites acoustiques du système déterminent la structure du champ de pression dans l’installation, ainsi que les flux acoustiques entrants et sortants. Malgré son importance, l’influence des conditions aux limites n’est pas toujours bien comprise et prise en compte et elle ne fait pas l’objet d’études systématiques. Les conditions aux limites acoustiques ne sont pas faciles à déterminer expérimentalement sur des configurations pratiques et leur contrôle est rarement envisagé. L’objectif de ce travail est donc de répondre à ce manque d’information, en étudiant sur un banc de combustion turbulente (CTRL-Z) l’influence de la condition acoustique d’entrée sur les oscillations de combustion auto-entretenues qui apparaissent dans la chambre de combustion. Un système de contrôle a été développé pour piloter l’impédance du système de prémélange de façon passive, sans modification des conditions de fonctionnement ou de la géométrie du brûleur. Ce système de contrôle d’impédance (ICS, « Impedance Control System ») s’appuie sur une utilisation de plaques perforées faiblement poreuses, au travers desquelles circule un écoulement. Un piston mobile permet de piloter la profondeur de la cavité résonante formée en amont des plaques, et ainsi de piloter leurs impédances. L’impédance de ces plaques perforées a été étudiée pour de faibles et de forts niveaux d’excitation acoustique, et un critère de transition entre les régimes linéaire et non-linéaire a été déterminé. L’ICS a été optimisé pour permettre un contrôle du module du coefficient de réflexion de 0 à 1 sur une large plage de fréquences (100 à 1000 Hz) et de niveaux d’amplitude de perturbations (100 à 150 dB) couvrant ainsi la gamme des instabilités thermoacoustiques classiques. L’ICS est utilisé pour contrôler l’impédance d’entrée du système de prémélange du banc CTRL-Z, en regard de la zone de combustion. L’analyse spectrale des fluctuations de pression et de dégagement de chaleur en fonction de l’impédance d’entrée démontre qu’il est possible d’obtenir un amortissement de l’instabilité principale pouvant atteindre 20 dB. Ces résultats sont confirmés par une estimation au premier ordre d’un bilan d’énergie acoustique prenant en compte le terme source dû à la combustion ainsi que les flux acoustiques en amont et aval de la zone de flamme. Ce bilan démontre par ailleurs l’importance du flux d’énergie transmis vers l’amont, du même ordre de grandeur que le terme source, et souligne la nécessité de prendre en compte ces flux pour déterminer correctement le taux de croissance de l’énergie. Finalement, une analyse acoustique de l'installation a été menée pour déterminer la nature des modes d'instabilités observés et pour examiner les conditions nécessaires au bon fonctionnement de l'ICS.

Combustion instabilities induced by a resonant flame-acoustic coupling are commonly observed in most applications of combustion from gas turbines to domestic or industrial boilers. These oscillations are detrimental by nature, and are still very difficult to predict at the design stage of a combustor. They imply numerous physical phenomena at multiple scales. They mainly result from a resonant coupling between the unsteady combustion and the acoustics of the system. The basic driving and coupling mechanisms have been extensively studied: acoustics in complex geometries and combustion dynamics of turbulent swirled flames are now reasonably well understood. However the effects of the acoustic boundary conditions on the system stability are less well documented, as they are not easy to access or to control in practical systems. They are however of prime importance as they determine the acoustic fluxes at the inlets and outlets of the combustor, as well as the preferential eigenfrequencies of the system. The main objective of this study is to investigate experimentally the influence of the inlet boundary condition of a generic turbulent burner on the observed self-sustained thermoacoustic oscillations. To carry out this investigation, a passive control solution has been developed. An innovative use of perforated panels with bias flow backed by tunable cavities allows to control the acoustic impedance at the inlet of a lean swirled-stabilized staged combustor (CTRL-Z facility). This impedance control system (ICS) has been initially designed and tested in a high load impedance tube. This facility also allowed to develop a robust impedance measurement technique, along with experimental protocols to measure acoustic velocities and fluxes. The acoustic response of perforates in both linear and nonlinear regimes was investigated as function of the plate porosity, bias flow velocity, back-cavity depth and incident pressure wave amplitude and frequency. The transition between the linear regime and the detrimental nonlinear regime has been linked to the perforates geometrical and operational parameters. As a result the ICS enables control of its acoustic reflection coefficient from 1 to 0 in a wide frequency range, 100 to 1000 Hz, for low and large incident pressure amplitudes (from 100 to 150 dB). The ICS, once implemented on the CTRL-Z facility, allowed to passively control the inlet boundary condition of the combustion rig. The impedance measurement technique was successfully used in harsh combustion situations, with high noise levels, to obtain in-situ measurements of the ICS impedance. Spectral analysis of the pressure and heat-release rate fluctuations demonstrated damping of the main self-sustained oscillation by up to 20 dB. A quantitative estimation of the acoustic energy balance was then obtained, highlighting the importance of the inlet acoustic flux. In this configuration, this term is of the same order of magnitude as the driving Rayleigh source term. Finally, an acoustic analysis of the combustion rig was led to determine the nature of the observed combustion instabilities modes and examine conditions required for an effective use of the ICS.