Étude de l'influence de la multi-perforation de refroidissement sur l'interaction flamme/paroi

Study of the influence of effusion cooling on the flame/wall interaction

• Auteur / Autrice : Sebastian Milu-Vaidesegan
• Direction : Pierre Millan, Marc Bellenoue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Multi-Physique pour l'Energétique (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Millan, Marc Bellenoue, Christine Mounaïm-Rousselle, Cédric Galizzi, Mikaël Orain, Julien Sotton
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Mounaïm-Rousselle, Cédric Galizzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Refroidissement par multiperforation

Fluorescence induite par laser

Mots clés libres

Fluorescence induite par laser

Multiperforation

Combustion

Laser-Induced fluorescence

Combustion

Multperforation

Résumé

La diminution de l’empreinte carbone du secteur aéronautique se traduit par une réduction de la masse totale des aéronefs. Certains motoristes ont opté pour la conception de chambres de combustion plus compactes ayant la particularité de subir une injection de carburant vers les parois. Cette configuration d’injection entraine la formation d’un front de flamme au niveau du film de refroidissement pariétal. Ces écoulements d’air frais introduits dans la chambre de combustion sous la forme de multi-perforation peuvent perturber la structure de la flamme et influencer les réactions chimiques d’oxydation du carburant. Ils sont donc de nature à modifier la production des polluants, en figeant les réactions (production de CO) où en apportant de l’air frais aux zones de sur-richesses (production de NOx). En retour, l’aérodynamique interne au foyer peut perturber l’efficacité du refroidissement que ces écoulements doivent assurer. Etudier cette interaction est donc capitale pour maîtriser les émissions de polluants et optimiser la durée de vie du moteur. Pour caractériser l’influence de la richesse et du débit d’air de refroidissement sur le front de flamme à proximité d’une paroi multi-perforée, un banc d’essai académique CH4/air a été mis en place. La caractérisation de l’écoulement en proximité de la paroi refroidie a été réalisée par des mesures PIV et la position du front de flamme a été identifiée par PLIF-OH. Des simulations numériques 3D RANS du montage expérimental ont été réalisées avec le code CEDRE en utilisant un mécanisme chimique réduit et des comparaisons ont été effectuées avec des calculs 1D issus de Cantera pour vérifier la prédictibilité du solveur et calibrer les mesures expérimentales.

Reducing the carbon footprint of the aeronautical industry means reducing the total weight of aircrafts. Some engine manufacturers have opted for the design of more compact combustion chambers, with the special feature that fuel is injected towards the walls. This injection configuration results in the formation of a flame front near the cooling film. The flow of fresh air into the combustion chamber through densely spaced holes can disrupt the flame structure and influence the chemical reactions involved in fuel oxidation. They can therefore modify pollutant production, either by freezing reactions (CO production) or by bringing fresh air to over-rich areas (NOx production). Conversely, the aerodynamics inside the combustion chamber can interfere with the cooling efficiency of these flows. Studying this interaction is therefore crucial to controlling pollutant emissions and optimizing engine life. A laboratory CH4/air test bench was set up to characterize the influence of equivalence ratio and cooling flow rate on the flame front in the vicinity of a multi-perforated wall. The flow near the cooled wall was characterized by PIV measurements, and the position of the flame front was identified by PLIF-OH. 3D RANS simulations of the experimental set-up were performed with the CEDRE code using a reduced chemical mechanism, and comparisons were made with 1D calculations from Cantera to check the predictability of the solver and calibrate the experimental measurements.