Thèse soutenue

Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude

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Auteur / Autrice : Marie-Eve Clavel
Direction : Bruno RenouGilles Cabot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
Date : Soutenance le 20/10/2023
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 : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
Entreprise : Safran Aircraft Engines
Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
Jury : Président / Présidente : Mourad Boukhalfa
Examinateurs / Examinatrices : Bruno Renou, Gilles Cabot, Marc Bellenoue, Christine Mounaïm-Rousselle, Eleonore Riber, Félix Collin
Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bellenoue, Christine Mounaïm-Rousselle

Résumé

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Le développement et l'amélioration des systèmes de propulsion des aéronefs présentent plusieurs défis technologiques pour satisfaire à des normes de plus en plus restrictives. De nos jours, de nombreuses études se concentrent sur la réduction de la consommation et des émissions polluantes. Bien que les technologies s'améliorent dans ce domaine, il est toujours nécessaire de garantir et d'augmenter l'opérabilité de l'avion. L'allumage et le rallumage dans les moteurs aéronautiques sont des caractéristiques majeures qui doivent être assurées et bien contrôlées dans les nouvelles conceptions de chambres de combustion aéronautiques. Le rallumage en vol des avions doit faire l'objet d'une attention particulière, en raison des faibles débits d’air utilisé et des conditions de basse pression et basse température en entrée de chambre de combustion. Ces conditions ont un impact important sur la qualité de l’atomisation et donc de l'évaporation du carburant, pouvant conduire à des instabilités de combustion ou à des extinctions de flamme lors des différentes phases d’allumage. Cette thèse vise à caractériser l'impact des conditions thermodynamiques et de différents paramètres géométriques du système d'injection, sur l'efficacité et la stabilisation de la combustion lors de la remontée en puissance (enroulement ou pull-away) qui prend place après le rallumage en vol de la chambre de combustion. Un nouveau banc d'essai a ainsi été conçu, développé et mit au point pour étudier la combustion déprimée froide : il s'agit du banc HARTur. Il permet de reproduire les conditions de pression et température rencontrées après un rallumage à une altitude de 25000 ft. Ce banc d'essai a permis de caractériser les performances en enroulement de 5 systèmes d'injection RQL, en se focalisant sur quatre conditions qui se trouvent sur la courbe de montée en puissance. Le développement d'une technique de mesure de température en sortie de chambre de combustion a permis de mesurer le rendement de combustion sur une large plage de richesse, jusqu'aux limites d'extinction pauvre. L'utilisation de diagnostics optiques a contribué à la compréhension de l'origine des chutes de rendement et de la plage de stabilité de la flamme. La morphologie du spray et ses instabilités ont été étudiés par tomographie laser haute cadence. L'imagerie par fluorescence du kérosène (PLIF-Kero) a permis de visualiser les zones de carburant en phase gazeuse. L'impact de la détérioration de la qualité de l'atomisation et de l'évaporation à basse pression et basse température sur la structure de flamme a été caractérisée par imagerie de fluorescence OH (PLIF-OH). Enfin, la vélocimétrie par imagerie de particule (PIV) a permis d'observer les changements de géométrie d'écoulement, en particulier sur l'importance de la zone de recirculation interne dans la stabilisation de la flamme. En parallèle de ces travaux sur les injecteurs aéronautiques, une étude a été menée sur la mesure de la vitesse laminaire de flamme à basse pression. Pour des pressions sub-atmosphériques, il existe très peu de donnée expérimentale de cette grandeur qui régit le positionnement et la stabilisation de la flamme, et qui est nécessaire lors de la validation de mécanismes réactionnels. Le travail effectué a permis de mettre en avant les biais de mesure qui peuvent affecter les résultats. Une méthode alternative a été proposée, et une base de données a été constituée pour les vitesses de flamme de mélanges basse pression méthane/air stœchiométrique, pauvre et riche, et décane/air stœchiométrique. L'ensemble de ces travaux offre donc une avancée sur la compréhension des phénomène multi-physiques présents dans la chambre de combustion lors de la phase d'enroulement du rallumage en altitude, et leur impact sur les limites d'extinction et les rendements de combustion. Il permet également la création de bases de données pour le développement et la validation de modèles numériques.