Etude numérique de la stabilité, la stabilisation et le bruit de flamme dans un brûleur tourbillonnaire en conditions amorcées

Numerical study of flame stability, stabilization and noise in a swirl-stabilized combustor under choked conditions

• Auteur / Autrice : Corentin Lapeyre
• Direction : Thierry Poinsot, Franck Nicoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 18/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Ducruix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Franck Nicoud, Carlo Scalo, Stéphane Moreau, Laurent Gicquel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Vervisch, Fabien Halter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres de combustion

Aéronautique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Bruit de Combustion

Instabilités Thermoacoustiques

Retour de Flamme

Simulation aux Grandes Echelles

Combustion Noise

Thermoacoustic Instabilties

Flame Flashback

Large Eddy Simulation

Résumé

Le transport aérien est devenu un mode de déplacement primordial, et le nombre de passagers transportés chaque année est en rapide augmentation à travers le monde. La International Civil Aviation Organization estime que ce nombre est passé de 2.2 milliards en 2009 à 3.0 milliards en 2013, dû en partie à la croissance rapide de pays émergents comme la Chine. Les réglementations concernant les émissions polluantes et sonores s’adaptent et se durcissent, entraînant de nouveaux défis pour les constructeurs aéronautiques. Les chambres de combustion évoluent vers des technologies de combustion pauvre prémélangée prévaporisée pour améliorer l’efficacité et réduire la production de gaz néfastes. Malheureusement, cette technologie tend à réduire la robustesse des moteurs, en diminuant les marges de stabilité et de stabilisation de flamme. Des études récentes indiquent que cela pourrait aussi augmenter le bruit de combustion. Afin de poursuivre le design et l’optimisation des futurs moteurs, de nouvelles méthodes sont nécessaires pour décrire et comprendre les mécanismes en jeu, et d’opérer ces moteurs en toute sécurité tout en atteignant les objectifs de la réglementation. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) est une approche numérique de ces problèmes, qui a montré d’excellents résultats par le passé et qui est très prometteuse pour les designs futurs. La comprehension de ces systèmes énergétiquement denses, confinés et instationnaires passe par la description des interactions flamme-turbulence, de l’acoustique et des couplages multi-physiques. À mesure que la puissance de calcul augmente, la quantité de physique qui peut être modélisée croît également, tout comme la taille des domaines de calcul. Autrefois limités à la zone de fluide réactif, la zone de mélange entre l’air et le carburant a pu être incluse, puis des parois de la chambre et des contournement de flux secondaire, jusqu’à finalement les éléments en amont et en aval de la chambre de combustion. Dans cette thèse, un solveur SGE compressible nommé AVBP est utilisé pour décrire CESAM-HP, un banc d’essai académique situé au laboratoire EM2C: une chambre de combustion pressurisée, siège d’une flamme partiellement prémélangée stabilisée par un tourbillonneur, alimente une tuyère amorcée en fin de chambre. Ces calculs décrivent simultanément la chambre et la tuyère, tout en résolvant l’acoustique, ouvrant la voie à l’étude de la dynamique du système complet, et par là aux instabilités et au bruit de combustion. Cette étude montre enfin que la stabilisation de flamme est impactée par ce comportement dynamique, qui peut parfois entraîner des retours de flamme dans l’injecteur. Ce manuscrit est organisé de la manière suivante : dans une première partie, le contexte pour la chimie, le mouvement et l’acoustique dans un écoulement réactif multi-espèces est donné. L’état de l’art en matière de thermodynamique, de thermoacoustique, de bruit de combustion et de stabilisation de flamme dans les brûleurs tourbillonnaires est présenté. Des modèles simples et des cas test sont exposés pour valider la comprehension des phénomènes en jeu de manière isolée, et des confirmations numériques sont apportées. Dans une seconde partie, les détails pratiques de la mise en œuvre de tels calculs sont donnés. Enfin, la troisième partie décrit l’application de ces outils et méthodes au banc CESAM-HP. L’inclusion de la tuyère compressible dans le domaine fournit des résultats concernant trois sujets majeurs pour le brûleur: (1) la stabilité de la flamme, en lien avec les instabilités de combustion; (2) la stabilisation de la flamme, et l’apparition de retour de flamme dans l’injecteur; (3) le bruit de combustion produit par le brûleur, ainsi que l’identification de ses diverses contributions.

Air transportation is an essential part of modern business and leisure needs, and the number of passengers carried per year is rapidly increasing worldwide. The International Civil Aviation Organization estimates that this number went from 2.2 billion in 2009 to 3.0 billion in 2013, due in part to rapid growth in emerging countries such as China. Many challenges for aircraft designers arise from this increase in air traffic, such as meeting pollutant and noise emission regulations. The engines play a major part in these emissions, and combustor technology has evolved towards high-pressure Lean Prevaporized Premixed (LPP) combustion to increase efficiency and decrease pollutant emissions. Unfortunately, this technology tends to reduce engine robustness, with a decrease in flame stability and stabilization margins. Recent studies suggest that combustion noise could also be increased in these systems. New methods are needed to describe and understand the mechanisms at hand for future design and optimization in order to operate these engines safely while still achieving emission targets. Large Eddy Simulation (LES) is a numerical approach to these problems which has shown excellent results in the past and is very promising for future design. The description of unsteady phenomena in these power-dense, confined and unsteady systems is essential to describe flame-turbulence interactions, acoustics and multiphysic couplings. As computing power grows, so does the amount of physics which can be modeled. Computational domains can be increased, and have gone from including only the reacting zone, to adding the fuel-air mixing areas, the heat liners and secondary flows, and the upstream and downstream elements. In this Ph.D., a compressible LES solver named AVBP is used to describe an academic test rig operated at the EM2C laboratory named CESAM-HP, a pressurized combustion chamber containing a swirl-stabilized partially-premixed flame and ended by a choked nozzle with high-speed flow. This leads to an accurate description of the chamber outlet acoustic behavior, and offers the possibility to investigate the dynamic behavior of the full system, and the occurrence of flame-acoustic coupling leading to combustion instabilities. It also gives insight into the combustion noise mechanisms, which are known to occur both in the reacting zone and in the nozzle. As shown in this study, this behavior also has an impact on flame stabilization in this system. This manuscript is organized as follows. In a first part, the context for chemistry, motion and acoustics of reacting multi-species flow is given. State of the art theories on reacting multi-species flow thermodynamics, thermoacoustics, combustion noise and flame stabilization in swirled burners are presented. Basic toy models and test cases are derived to validate the understanding of direct and indirect combustion noise, and numerical validations are performed. In a second part, the practical details about numerical investigation of such systems are reported. Finally, the third part describes the application of these tools and methods to the CESAM-HP4 test rig. The inclusion of the compressible nozzle in the LES computation yields results concerning three major issues for the burner: (1) flame stability, related to thermoacoustic instabilities; (2) flame stabilization, and the occurrence of flame flashback into the system’s injection duct; (3) combustion noise produced by the system, and identification of its separate contributions.