Numerical and experimental investigations of combustion instabilities of swirled premixed methane-air flames with hydrogen addition

par Gorkem Oztarlik

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Thierry Poinsot et de Laurent Selle.

Le président du jury était Franck Nicoud.

Le jury était composé de Thierry Poinsot, Laurent Selle, James R. Dawson, Ronan Vicquelin, Bénédicte Cuenot.

Les rapporteurs étaient James R. Dawson, Ronan Vicquelin.

  • Titre traduit

    Études numériques et expérimentales des instabilités de combustion de flammes prémélangées swirlées de méthane-air avec addition d'hydrogène


  • Résumé

    Dans ce travail, les flammes stabilisées par tourbillonnement, assistées par hydrogène (enrichissement en hydrogène et pilotage) sont étudiées expérimentalement via l'expérience MIRADAS. Tout d'abord, les caractéristiques de stabilité statique, telles que les longueurs de flamme et les caractéristiques d'attachement de la flamme sont étudiées via des images de chimiluminescence CH * de flamme et les cas avec pilotage à l'hydrogène, pilotage au méthane et enrichissement en hydrogène sont comparés au cas de référence; d'une combustion méthane-air parfaitement prémélangée, pour une large gamme des richesse et des vitesses. On constate que le pilotage de l'hydrogène est la méthode la plus efficace pour fixer les flammes et étendre les plages de fonctionnement stables de la chambre de combustion. Ensuite, les caractéristiques de stabilité dynamique de l'installation sont étudiées expérimentalement via des cartes de stabilité et il est démontré que l'injection d'une très petite partie de la puissance thermique de l'hydrogène se traduit par un système plus stable ; une extension des points de fonctionnement stables dans les cartes de stabilité, ce qui signifie un fonctionnement global plus sûr. L'enrichissement en hydrogène et le pilotage du méthane sont également explorés et il est démontré que ces méthodes ne sont pas efficaces pour changer les cartes de stabilité, les cartes de stabilité ne sont pas effectuées. Par la suite, les réponses des flammes forcées sont étudiées expérimentalement et il est démontré que le pilotage de l'hydrogène et l'enrichissement en hydrogène provoquent une baisse du délai global de la fonction de transfert de flamme. Avec le pilotage de l'hydrogène, il y a une baisse globale du gain de la fonction de transfert de flamme, mais pour les cas enrichis en hydrogène, le gain est augmenté. Pour les cas pilotés au méthane, il y a une réduction globale du gain de la fonction de transfert de flamme, mais le délai n'est pas affectée. Par conséquent, pour explorer pourquoi et comment la fonction globale de transfert de flamme est modifiée avec différentes stratégies d'injection, des images de flamme forcée sont étudiées. Il est démontré que les changements dans la fonction de transfert de flamme sont causés par le comportement de compétition entre les réponses locales de dégagement de chaleur pour les cas pilotés par l'hydrogène. Autrement dit, il y a une différence de phase entre les réponses locales près du tube d'injection et les bords de la flamme, provoquant un effet de baisse, qui à son tour provoque une baisse du gain de la fonction de transfert de flamme. Ensuite, l'effet de différentes stratégies d'injection sur les émissions de polluants est étudié. Il est démontré que l'ajout d'hydrogène, en configuration d'injection pilote ou d'enrichissement d'hydrogène, entraîne une baisse des émissions de\mathrm{CO_2}pour la même puissance thermique. Les stratégies de pilotage provoquent une légère augmentation des émissions de NOx, mais les résultats montrent qu'une optimisation est possible pour obtenir des flammes stables, à faible \mathrm{CO_2} et à faible NOx. Enfin, les calculs LES et leurs comparaisons avec les résultats expérimentaux sont présentés. La capacité des calculs LES à prédire les réponses de la flamme est affichée et il est démontré que les réponses de la flamme proviennent des interactions des tourbillons qui se forment à la suite des pulsations acoustiques et des flammes. Des flammes sont enroulées autour de ces tourbillons, ce qui augmente la surface de la flamme. Plus loin dans le cycle de forçage, les parties enroulées des flammes commencent à toucher les parois de la chambre de combustion et s'éteignent, ce qui entraîne une perte de surface de la flamme. Ces changements dans la surface de la flamme se traduisent par un taux de dégagement de chaleur fluctuant, consistant en la réponse de la flamme.


  • Résumé

    In this work, hydrogen assisted (hydrogen enrichment and piloting) swirl stabilized flames are studied experimentally via MIRADAS experiment. First of all, static stability characteristics, such as flame lengths and flame attachment characteristics are studied via CH* chemiluminescence flame images and cases with hydrogen piloting, methane piloting and hydrogen enrichment are compared to the reference case of perfectly premixed methane-air combustion for a wide range of equivalence ratios and bulk velocities. It is found out that hydrogen piloting is the most efficient method to attach the flames and extend operating ranges of the combustion chamber. Next the dynamic stability characteristics of the setup is studied experimentally via stability maps and it is shown that injection of a very small portion of the thermal power worth of hydrogen results in a more stable system and an extension in the stable operating points in the stability maps, meaning safer overall operation. Hydrogen enrichment and methane piloting are also explored, and it is demonstrated that these methods are not effective in changing stability maps, stability maps are not effected. Subsequently, the forced flame responses are studied experimentally and it is shown that hydrogen piloting and hydrogen enrichment causes a drop in the global time delay of the flame transfer function. With hydrogen piloting, there is a global drop in the flame transfer function gain, however for hydrogen enriched cases, the gain is increased. For methane piloted cases, there is a global reduction in the flame transfer function gain, however the time delay is not affected. Consequently, to explore why and how the global flame transfer function is changed with different injection strategies, forced flame images are studied. It is shown that the changes in flame transfer function is caused by the competition behavior between the local heat release responses for hydrogen piloted cases. Simply put, there is a phase difference between the local responses near the injection tube and the flame edges, causing a "pull-back" effect, which in turn causes a drop in the flame transfer function gain. Next the effect of different injection strategies on the pollutant emissions are investigated. It is demonstrated that adding hydrogen, in pilot injection or hydrogen enrichment configuration, causes a drop in \mathrm{CO_2} emissions for the same thermal power. Piloting strategies cause a slight increase in NOx emissions, however results show that an optimization is possible to obtain flames that are stable, low mathrm{CO_2} and low NOx. Finally, LES calculations and their comparisons with experimental results are presented. The capability of LES calculations in predicting flame responses is demonstrated and it is shown that the flame responses originate from the interactions of the vortices that are formed as a result of acoustic pulsations and the flames. Flames are wrapped around these vortices which increase the flame surface area. Further down the forcing cycle, the rolled up portions of the flames start touching the combustion chamber walls and gets quenched which causes a loss of flame surface area. These changes in flame surface area result in a fluctuating heat release rate, consisting the flame response.


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