Dynamique de l’injection et des flammes de spray swirlées et couplage azimutal dans les foyers annulaires

Injection and combustion dynamics in swirled spray flames and azimuthal coupling in annular combustors

• Auteur / Autrice : Guillaume Vignat
• Direction : Sébastien Candel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Tenaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Baillot, Thierry Poinsot, James R. Dawson, Stéphane Richard, Daniel Durox
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Baillot, Thierry Poinsot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flamme

Chambres de combustion

Avions -- Moteurs

Mots clés libres

Flamme de spray

Injecteur aéronautique

Foyers annulaires

Instabilités de combustion

Flamme swirlée

Annular combustors

Spray flame

Swirled flame

Combustion dynamics

Aeronautical injectors

Résumé

Le déploiement de technologies à faibles émissions dans les moteurs d’avion ne nécessite pas seulement que les nouvelles conceptions émettent des quantités réduites de polluants, mais également que leur comportement dynamique (allumage, extinction et instabilités de combustion) soit compatible avec les normes de sécurité élevées en vigueur dans l’aéronautique. Ce travail de recherche se concentre sur ces derniers aspects. Une chambre annulaire transparente équipée de 16 injecteurs swirlés représentant à échelle réduite le foyer d’un moteur d’hélicoptère est utilisée conjointement avec un système à un seul secteur pour étudier les problèmes dynamiques. Théorie, expérimentation et simulation aux grandes échelles sont combinées pour examiner une gamme de questions ayant trait à la dynamique de l’injecteur, la structure de l’écoulement, la détermination du niveau de rotation, les caractéristiques du spray, le couplage entre l’injection et le champ acoustique. Une base de données d’injecteurs est introduite pour étudier l’impact des paramètres d’injection sur la dynamique de la combustion. Ces injecteurs sont examinés dans des conditions stables et instables en combinant des diagnostics laser et des simulations permettant la caractérisation de comportements spécifiques à la dynamique du spray et du système d’injection. Un résultat important est que la présence d’un film liquide formé sur la paroi de l’injecteur induit une distribution multimodale des vitesses des gouttelettes. Une nouvelle méthode est introduite pour examiner le comportement spatio-temporel de l’écoulement et de la flamme lorsque l’injecteur est soumis à des modulations axiales. Une étude du processus par lequel les perturbations convectives se couplent au champ acoustique permet d’examiner les délais qui contrôlent l’instabilité de combustion et d’identifier les rôles respectifs de la convection et de l’évaporation des gouttes. La tomographie à grande vitesse reposant sur des particules de SnO2 fournit des résultats majeurs sur la structure du noyau tourbillonnaire en précession et montrent son comportement sous forçage acoustique. L’impact de la perte de charge de l’injecteur sur les instabilités de combustion est examiné à l’aide de plusieurs systèmes d’injection avec des niveaux de rotation semblables. Il est démontré que ce paramètre joue un rôle majeur dans le couplage entre la flamme et le plénum. Les résultats précédents sont utilisés pour guider les expériences sur la chambre de combustion annulaire. L’accent est mis sur les oscillations de combustion de grande amplitude couplées par un mode azimutal stationnaire induisant une extinction de flamme au voisinage de la ligne nodale de pression. La déformation du champ acoustique est suivie à l’aide d’une développement en série d’harmoniques azimutaux permettant la détermination des conditions critiques conduisant à ce phénomène. De nouveaux résultats sont également présentés sur la dynamique transitoire d’un injecteur lors de l’allumage et sur l’extinction pauvre avec une preuve de concept de la possibilité d’étendre la limite d’extinction par des décharges plasma nanoseconde.

The deployment of low-emission technologies in aero-engines does not only require that new designs produce reduced amounts of pollutants, but also that their dynamical behavior (ignition, blow-off, and combustion instabilities) be compatible with the high safety standards prevailing in aeronautics. This research is focused on the latter aspect of combustor design. A transparent annular combustor equipped with 16 swirled spray injectors is used to represent at the laboratory scale the combustion chamber of a jet engine. This system is used in conjunction with a single sector rig to investigate dynamical issues.Theory, experimentation and large eddy simulation are combined to examine a range of items pertaining to the injector dynamics, flow structure, swirl number determination, spray characteristics, and coupling between injector flow and acoustic field. A database of injectors is introduced to investigate the impact of injection parameters on combustion dynamics. These injectors are examined under steady and unsteady conditions by combining laser diagnostics and high-fidelity simulations which allows the characterization of spray-specific behaviors of relevance to the dynamics of injection systems. One important result is that the presence of a liquid film formed on the wall of the injection unit gives rise to a multi-modal distribution of droplet velocities. A novel method is introduced to examine the space-time behavior of the flow and flame of a swirling injector submitted to axial modulations. A detailed investigation of the process by which convective perturbations couple with the acoustic field allows to examine the time lags that control combustion instability and sort out the respective roles of convection and droplet spray evaporation. High speed tomography relying on SnO2 particles provides major results on the Precessing Vortex Core structure and show its behavior under acoustic forcing. The impact of injector head loss on combustion instabilities is examined using several injection systems with similar levels of swirl. The head loss is shown to play a major role in the coupling between the flame and the upstream plenum. The previous results obtained in a single sector rig are used to guide experiments on the annular combustor. The focus is placed on high amplitude combustion oscillations coupled by a standing azimuthal mode inducing flame blow-off near the pressure nodal line. The deformation of the acoustic distribution is tracked using a novel expansion on azimuthal harmonics allowing the determination of the critical conditions leading to this phenomenon. New results are also presented about the transient dynamics of an injector during ignition and about lean blow out with a proof of concept extension of the LBO limit by nanosecond plasma discharges.