Analyse expérimentale de la dynamique de flammes à contre-courant soumises à des modulations de vitesse dans des écoulements gazeux et diphasiques

Experimental analysis of the dynamics of gaseous and two-phase counterflow flames submitted to upstream modulations

• Auteur / Autrice : Patrick Duchaine
• Direction : Thierry Schuller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 01/07/2010
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Deanna Lacoste, Laurent Zimmer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Baillot, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flamme

Combustion

Mots clés libres

Flamme à contre-courant

Écoulement diphasique

Dynamique de flamme

Counterflow flame

Two-phase flow

Flame dynamics

Résumé

La conception de chambres de combustion de nouvelles génération moins polluantes et fonctionnant sur des plages de stabilité plus grandes nécessite une meilleure connaissance et modélisation de la dynamique de la combustion.De nombreux systèmes sont alimentés avec des carburants liquides atomisés qui interagissent avec des grandes structures de l’écoulement d’air puis avec le front de flamme. Il existe cependant peu de données qui permettent de valider les outils de simulation dans des configurations mettant en jeu des flammes en interaction avec des structures contrôlées pour des écoulements polyphasiques.Certaines de ces interactions fondamentales sont étudiées dans ce travail pour des écoulements laminaires soumis à des modulations de vitesse. Les configurations expérimentales correspondent à des flammes à contre-courant et à des jets inertes libres, avec une injection de combustible liquide vaporisé ou sous la forme de sprays polydisperses. Ces écoulements peuvent être soumis à des modulations de vitesse de manière à reproduire les effets d’instationnarité. En fonction de la fréquence de la pulsation, des tourbillons de tailles contrôlées sont générés à la sortie des brûleurs et sont convectés par l’écoulement. Ils interagissent avec le spray de combustible ou la flamme.Une première partie de la thèse vise à caractériser la dynamique de flammes prémélangées dans des écoulements à point d’arrêt pour des combustibles gazeux. L’étude se concentre tout particulièrement sur l’interaction de structures tourbillonnaires avec une flamme plane. Différentes réponses de la flammes ont identifiées et analysées en fonction de la taille des tourbillons générés.Deux régimes de propagation des perturbations de vitesse sont mis en évidence correspondant à une oscillation en bloc de la zone de combustion ou à des perturbations limitées à la périphérie du front de flamme. Ces constatations remettent en cause le choix des conditions aux limites à imposer dans les simulations numériques unidimensionnelles de ces configurations. Des comparaisons entre des prévisions numériques et des mesures du champ de vitesse supportent nos conclusions. L’analyse de la réponse de ces flammes est ensuite poursuivie par la détermination de leurs fonctions de transfert entre le dégagement de chaleur et les perturbations vitesses imposées à la sortie du brûleur.Ces mesures basées sur l’étude du signal de chimiluminescence rayonné par la flamme mettent à nouveau en évidence une différence de comportement entre la région restreinte au centre de l’écoulement à point d’arrêt et le comportement global de l’ensemble de la zone de combustion. Ces configurations sont ensuite utilisées pour identifier les mécanismes de production de bruit par des flammes parfaitement et partiellement prémélangées.La deuxième partie des travaux est dédiée à la caractérisation de la réponse à des tourbillons d’un spray dilué convecté par un jet inerte ou d’un spray combustible alimentant une flamme plane de diffusion dans un écoulement à contre-courant lorsqu’ils interagissent avec des tourbillons. L’originalité du travail repose sur l’utilisation combinée de diagnostics optiques avancés pour caractériser la dynamique de la phase gazeuse et de la phase dispersée, ainsi que leurs interactions par une prise d’images en moyenne conditionnée à différents instants du cycle de modulation. La distribution de la vapeur de carburant injecté dans les phases gazeuses et liquides est notamment caractérisée grâce à la Fluorescence Exciplex Induite par Laser (LIEF). La distribution de vitesse et la granulométrie des gouttelettes du spray sont déterminées localement par effet Doppler (PDA) et dans un plan par Interférométrie par Imagerie de Particules (IPI). Ces diagnostics sont complétés par l’utilisation de la Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV) pour déterminer la réponse de la phase gazeuse de ces écoulements.

Modern combustion systems benefit from constant technological advanceswhich aim at reducing the emissions of chemical pollutants and at wideningregimes of stable operation. Further progress in the combustion field requiresa better understanding and modelling of the combustion dynamics. In thesesystems, the combustible is often injected as a liquid polydisperse spray. Experimentaldata are thus required to validate simulation tools in configurationswith flames interacting with controlled structures in multi-phase flows.This thesis aims at studying some of these fundamental interactions in wellcontrolledlaminar flows submitted to upstream modulations. Two experimentalconfigurations are investigated comprising counterflow flames and free inertjets, fed with gaseous or liquid combustibles. The flows may be submittedto upstream velocity modulations to reproduce effects of unsteadiness. Dependingon the pulsation frequency, vortices of controlled sizes are shed fromthe burner lips and convected with the flow, while interacting with the sprayand the flame.In the first part of this thesis, the dynamics of a premixed stretched flameis analysed in a stagnation flow. The study focuses on determining the flowand flame structures under upstream modulations, and principally on studyingthe dynamics of flame/vortex interactions. Different responses of the flameare identified and analysed relative to the size of the vortex ring generated atthe burner outlet. Two propagation modes for the velocity perturbations areidentified, corresponding to a bulk oscillation of the entire reaction zone orto a flame perturbed only at its periphery. This leads to a discussion on thechoice of velocity boundary conditions to conduct 1D simulations of theseconfigurations. Comparisons between simulations and measurements of thevelocity field illustrate these conclusions. Flame transfer functions betweenheat release rate and velocity perturbations imposed at the burner outlet areestablished for different flow conditions. These measurements relying on localand global chemiluminescence of the flame show again a distinct behaviourof the emission originating from the flame region close to the burner axis andthe whole flame. Mechanisms of sound production by partially and perfectlypremixed flames are also identified and analysed relative to flame/vortex interactions.In the second part, the dynamics of a spray convected by a free inert jet or impinginga diffusion flame submitted to velocity modulations is analysed. Theoriginality of this work consists in characterizing the flow and spray dynamicsusing a set of advanced diagnostics. Phase-conditioned images at different instantsin the modulation cycle are used to analyse the interactions between thegaseous phase and the spray. The spatial distribution of combustible vapourand liquid phases is determined using Laser Induced Exciplex Fluorescence(LIEF). Velocities and sizes distribution of droplets from the spray are determinedlocally by Phase Doppler Anemometry (PDA) and in a plane by InterferometricParticle Imaging (IPI). Laser Doppler Velocimetry (LDV) andParticle Image Velocimetry (PIV) are also used to determine the response ofgaseous phase. These phase-conditioned analysis highlight some interactionsbetween the gaseous and liquid phases and constitute an interesting databasefor detailed simulation of these two-phase flows.