Étude comparative des performances de systèmes d'injection aéronautiques pauvres étagés en conditions réactives haute pression par diagnostics lasers avancés

Comparative study of the performance of aeronautical lean staged injection systems in high pressure reactive conditions by coupled advanced laser diagnostics

• Auteur / Autrice : Clément Brunet
• Direction : Frédéric Grisch, Gilles Cabot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et propulsion
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Foucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grisch, Gilles Cabot, Bénédicte Cuenot, Marc Bellenoue, Bruno Renou, Stéphan Zurbach, Stéphane Richard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bénédicte Cuenot, Marc Bellenoue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs -- Injection du carburant

Avions

Chambres de combustion

Gaz à effet de serre -- Réduction

Écoulement diphasique

Vélocimétrie laser Doppler

Fluorescence induite par laser

Vélocimétrie par images de particules

Hautes pressions

Combustion

Turbulence

Mots clés libres

Combustion turbulente

Diagnostics lasers

Combustion pauvre étagée

Injecteurs aéronautiques

Turbulent combustion

High pressure

Laser diagnosis

Lean staged combustion

Aeronautical injection systems

Phase Doppler Anemometry

Particle Image Velocimetry

OH-Kerosene-NO PLIF

PDA

PIV

Planar Laser Induced Fluorescence

Two-phase flow

Résumé

Le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe (ACARE) a identifié les nouvelles réglementations progressives requises pour l'industrie de l'aviation pour 2020, 2030 et 2050 afin de réduire les émissions de CO2 par passager-kilomètre de 75% et les NOx de 90%, par rapport aux émissions des avions en 2000. Comme le trafic aérien mondial devrait également croître à un taux moyen d'environ 5% par an au cours des 20 prochaines années, les questions de durabilité environnementale, telles que la réduction de la consommation de carburant et des émissions polluantes, doivent être sérieusement prises en compte pour assurer la survie à long terme du secteur de l'aviation. C'est dans ce contexte que la Chaire industrielle PERCEVAL a été créée, avec pour objectif de fournir des connaissances de pointe sur les performances des systèmes innovants de combustion et d'injection de carburant, et de développer des diagnostics optiques pionniers pour étendre les connaissances sur les nombreux processus physiques interconnectés impliqués. Ainsi, l'objectif scientifique de la présente étude est d'optimiser l'efficacité de la combustion et la réduction des polluants dans les chambres de combustion pauvres et étagées. A cette fin, une base de données expérimentale étendue a été construite autour de trois systèmes d'injection de carburant qui ont été sélectionnés pour mesurer l'impact de modifications technologiques spécifiques sur leurs performances. La caractérisation complète de ces systèmes d'injection a été réalisée dans des conditions réactives à haute pression avec du Jet A1 dans le banc d'essai HERON. Le champ aérodynamique a été étudié par vélocimétrie par image de particules à haute cadence. Ensuite, la phase liquide a été caractérisée par tomographie à haute cadence et anémométrie de phase Dopler, qui a été minutieusement détaillée pour assurer l'utilisation d'une méthodologie adéquate dans de telles conditions. La phase gazeuse du combustible a été étudiée à l'aide de la fluorescence planaire induite par laser (PLIF) du kérosène, qui a été couplée à la OH-PLIF et à la NO-PLIF quantitative, de sorte que le processus de mélange, la topologie de la flamme et l'émission de polluants puissent être observés simultanément. Enfin, les émissions de polluants ont été mesurées avec un analyseur de gaz d'échappement.

The Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) has identified new incremental regulations required for the aviation industry for 2020, 2030 and 2050 to reduce CO2 emissions per passenger kilometer by 75% and NOx by 90%, compared to aircraft emissions in 2000. As the world' s air traffic is also expected to grow at an average rate of about 5% per year over the next 20 years, environmental sustainability issues (reduction of fuel burn and pollutant emissions) must be seriously considered to ensure the long-term survival of the aviation industry sector It is within this context that the PERCEVAL Industrial Chair was created, with the objective of providing state-of-the-art knowledge on the performances of innovative combustor and fuel injection systems, and developing pioneering optical diagnostics to extend the knowledge on the many interconnected physical processes involved. As such, the scientific focus of the current study aims at optimizing combustion efficiency and pollutant reduction in lean and staged combustors. To this end, an extensive experimental database was built around three fuel injection systems that were selected to measure the impact of specific technological modifications on their performances. The full characterization of those injection systems were carried out in high pressure reactive conditions with Jet A1 in the HERON test rig. The aerodynamical field has been studied with high speed Particle Image Velocimetry. Then, the liquid phase was characterized with high speed tomography and Phase Dopler Anemotry, which has been thoroughtly detailed to ensure the use of an adequate methodology in such conditions. The gaseous fuel phase was studied with kerosene Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF), which has been coupled with OH-PLIF and quantitative NO-PLIF so that the mixing process, flame topology and pollutant emission could be observed simultaneously. Finally, pollutant emissions were measured with a gas exhaust analyser.