Reduced Order Models and Large Eddy Simulation for Combustion Instabilities in aeronautical Gas Turbines - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Reduced Order Models and Large Eddy Simulation for Combustion Instabilities in aeronautical Gas Turbines

Modèles réduits et Simulations aux Grandes Echelles pour les instabilités thermoacoustiques dans les turbines à gaz aéronautiques

Résumé

Increasingly stringent regulations as well as environmental concerns have lead gas turbine powered engine manufacturers to develop the current generation of combustors, which feature lower than ever fuel consumption and pollutant emissions. However, modern combustor designs have been shown to be prone to combustion instabilities, where the coupling between acoustics of the combustor and the flame results in large pressure oscillations and vibrations within the combustion chamber. These instabilities can cause structural damages to the engine or even lead to its destruction. At the same time, considerable developments have been achieved in the numerical simulation domain, and Computational Fluid Dynamics (CFD) has proven capable of capturing unsteady flame dynamics and combustion instabilities for aforementioned engines. Still, even with the current large and fast increasing computing capabilities, time remains the key constraint for these high fidelity yet computationally intensive calculations. Typically, covering the entire range of operating conditions for an industrial engine is still out of reach. In that respect, low order models exist and can be efficient at predicting the occurrence of combustion instabilities, provided an adequate modeling of the flame/acoustics interaction as appearing in the system is available. This essential piece of information is usually recast as the so called Flame Transfer Function (FTF) relating heat release rate fluctuations to velocity fluctuations at a given point. One way to obtain this transfer function is to rely on analytical models, but few exist for turbulent swirling flames. Another way consists in performing costly experiments or numerical simulations, negating the requested fast prediction capabilities. This thesis therefore aims at providing fast, yet reliable methods to allow for low order combustion instabilities modeling. In that context, understanding the underlying mechanisms of swirling flame acoustic response is also targeted. To address this issue, a novel hybrid approach is first proposed based on a reduced set of high fidelity simulations that can be used to determine input parameters of an analytical model used to express the FTF of premixed swirling flames. The analytical model builds on previous works starting with a level-set description of the flame front dynamics while also accounting for the acoustic-vorticity conversion through a swirler. For such a model, validation is obtained using reacting stationary and pulsed numerical simulations of a laboratory scale premixed swirl stabilized flame. The model is also shown to be able to handle various perturbation amplitudes. At last, 3D high fidelity simulations of an industrial gas turbine powered by a swirled spray flame are performed to determine whether a combustion instability observed in experiments can be predicted using numerical analysis. To do so, a series of forced simulations is carried out in en effort to highlight the importance of the two-phase flow flame response evaluation. In that case, sensitivity to reference velocity perturbation probing positions as well as the amplitude and location of the acoustic perturbation source are investigated. The analytical FTF model derived in the context of a laboratory premixed swirled burner is furthermore gauged in this complex case. Results show that the unstable mode is predicted by the acoustic analysis, but that the flame model proposed needs further improvements to extend its applicability range and thus provide data relevant to actual aero-engines
Des réglementations de plus en plus strictes et un intérêt environnemental grandissant ont poussé les constructeurs de moteurs aéronautiques à développer la génération actuelle de chambres de combustion, affichant des consommations et émissions de polluants plus basses que jamais. Cependant, les phases de conception de chambres modernes ont clairement mis en évidence que celles-ci sont plus susceptibles de développer des instabilités de combustion, où le couplage entre l'acoustique de la chambre et la flamme suscite de larges oscillations de pression ainsi que des vibrations de la structure. Ces instabilités peuvent endommager le moteur, et potentiellement entraîner sa destruction. Dans le même temps, de considérables avancées ont eu lieu dans le domaine de la simulation numérique, et la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) a démontré sa capacité à reproduire la dynamique de flammes instationnaires et les instabilités de combustion observées dans les moteurs. Pourtant, même avec le matériel informatique moderne, le temps de calcul reste la contrainte clé de ces simulations haute-fidélité, qui demeurent très coûteuses. Typiquement, couvrir la totalité du domaine de fonctionnement pour un moteur industriel est encore hors de portée. Des modèles dits bas-ordre existent également, et prédire efficacement les instabilités de combustion par leur intermédiaire est envisageable à la condition d'une modélisation appropriée de l'interaction entre l'acoustique et la flamme. La méthode de modélisation la plus commune de cet élément critique est la fonction de transfert de flamme (FTF) qui lie les fluctuations de taux de dégagement de chaleur aux fluctuations de vitesse en un point donné. Cette fonction de transfert peut être obtenue à partir de modèles analytiques, mais très peu existent pour des flammes swirlées turbulentes. Une autre approche consiste à réaliser des mesures expérimentales ou des simulations haute fidélité coûteuses, réduisant à néant la capacité de prédiction rapide recherchée avec les méthodes bas-ordre. Cette thèse vise donc à développer des outils bas ordre à la fois rapides et fiables pour la modélisation des instabilités de combustion, ainsi qu'à améliorer la compréhension des mécanismes inhérents à la réponse acoustique d'une flamme swirlée. A cet effet, une approche hybride nouvelle est proposée, où un nombre réduit de simulations haute fidélité peut être utilisé pour déterminer les paramètres d'entrée d'un modèle analytique représentatif de la fonction de transfert d'une flamme swirlée prémélangée. Le modèle analytique s'appuie sur des travaux antérieurs traitant la flamme comme une interface perturbée, et prend en compte la conversion acoustique-vorticité à travers un swirler. La validité du modèle est mise à l'épreuve en déterminant les divers paramètres nécessaires associés à partir de simulations numériques réactives stationnaires et pulsées d'une flamme prémélangée swirlée académique. Il est également démontré que le modèle peut prendre en compte diverses amplitudes de perturbation. Enfin, des simulations haute-fidélité 3D d'une turbine à gaz industrielle alimentée par un combustible liquide sont réalisées afin de déterminer s'il est possible de prédire numériquement un mode d'instabilité de combustion observé lors des essais. Pour cela, un ensemble de simulations forcées est mené à bien afin de souligner l'importance de l'acquisition de la réponse de la flamme diphasique, en comparant les positions de référence utilisées pour mesurer les vitesses fluctuantes ainsi que l'amplitude et l'origine de la perturbation acoustique. L'applicabilité du modèle analytique à ce cas complexe est aussi étudiée. Les résultats montrent que l'analyse acoustique proposée prédit bien la présence d'un mode instable, mais que le modèle bas ordre nécessite davantage de développements pour étendre son domaine de validité présumé.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04165259 , version 1 (18-07-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04165259 , version 1

Citer

Fabien Dupuy. Reduced Order Models and Large Eddy Simulation for Combustion Instabilities in aeronautical Gas Turbines. Physics [physics]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2020. English. ⟨NNT : 2020INPT0046⟩. ⟨tel-04165259⟩
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