Étude des instabilités de combustion, mouvements de flamme et flashbacks dans un foyer comprenant un élargissement brusque

Analysis of Combustion Instabilities, Flame Flashbacks and Flame Motion in a Dump Combustor

• Auteur / Autrice : Jean-Michel Klein
• Direction : Arnaud Mura, Aurélien Genot, Axel Vincent-Randonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Office national d'études et de recherches aérospatiales (Châtillon, France ; 1946-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Président / Présidente : Françoise Baillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Boivin, Alexis Giauque, Frédéric Plourde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Boivin, Franck Richecœur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Statoréacteurs

Simulation des grandes échelles

Instabilités hydrodynamiques

Effet thermoacoustique

Flamme

Combustion

Mots clés libres

Bilans d'énergies des perturbations

Instabilités thermoacoustiques

Remontée de Flamme

Disturbance energy budgets

Thermoacoustic instabilities

Flame flashbacks

Résumé

La conception des futurs statoréacteurs bénéficierait d'une meilleure compréhension des instabilités de combustion apparaissant dans les écoulements rapides présentant des recirculations : une problématique étudiée à l'ONERA avec le banc MICAEDI au LAboratoire des Ecoulements Réactifs et de leurs Techniques d'Etude (LAERTE) de l'ONERA. Dans ce dispositif, une flamme de prémélange méthane-air s’établit au voisinage d’une marche descendante, dans un environnement présentant des similitudes avec les foyers de statoréacteurs. Pour certains points de fonctionnement, d’importantes oscillations de pression accompagnées de remontées de flammes (flashbacks) périodiques y apparaissent sous l'effet de l'excitation de modes acoustiques longitudinaux. Dans le cadre cette thèse, le code de calcul CEDRE est utilisé afin de restituer ces instabilités, les analyser et en améliorer la compréhension. Pour cela, une méthodologie de post-traitement basée sur les bilans d’énergie des perturbations (BEP) a été appliquée tout d'abord dans le cas d'une flamme de prémélange unidimensionnelle forcée acoustiquement. Grâce à ce formalisme, la dynamique de cette flamme peut alors être décrite au travers d'une loi d'échelle au moyen de deux nombres adimensionnels : (i) un nombre de Strouhal associé aux mouvements de la flamme qui compare son amplitude de battement à l’épaisseur de flamme laminaire et (ii) l’amplitude de la perturbation en vitesse adimensionnée par la vitesse de propagation de flamme laminaire. Sont ensuite réalisées des simulations numériques aux grandes échelles de flammes s'établissant au voisinage d'une marche descendante. En deux dimensions (2D), une telle approche permet de restituer, à moindre coût de calcul, une dynamique de combustion similaire à celle observée sur le banc MICAEDI. Une étude de sensibilité conduite sur les principaux paramètres opératoires met en évidence les processus associés au développement d'instabilités de combustion et à l'apparition de flashbacks. Il apparaît que la rétroactions entre des modes acoustiques longitudinaux et les oscillations du front de flamme sont favorisées si la symétrie des plissements de la flamme est rompue par l’action de la bulle de recirculation s'établissant au pied de la marche descendante. Ce mécanisme est favorisé si le mode acoustique présente un nœud de vitesse au niveau de la marche descendante et si sa fréquence est basse et/ou proche de la fréquence caractéristique de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz. Des oscillations peuvent également apparaître à de plus basses fréquences lors du battement du point de raccordement de la flamme à la paroi supérieure. Ces oscillations peuvent provoquer des flashbacks suivant deux mécanismes : (i) synchronisation entre les oscillations des modes acoustiques et les détachements périodiques de la bulle de recirculation s'élevant au-dessus de la marche, bloquant la flamme et la faisant temporairement remonter en amont, avant d'être convectée plus en aval et (ii) action de la flamme qui, lors de sa propagation dans la couche limite à de basses fréquences, y cause son décollement et favorise ainsi l'apparition de nouveaux flashbacks à de plus hautes fréquences. Si les détachements de la bulle provoquent des flashbacks pour des niveaux importants d'oscillations de vitesse (la direction de l'écoulement est proche de s'inverser, voire s'inverse périodiquement), les remontées de flamme par la couche limite sont susceptibles d'apparaître pour des niveaux d'oscillation plus modérés. Pour les simulations en trois dimensions (3D), l'utilisation d'une géométrie représentative du foyer MICAEDI permet une restitution fine des instabilités observées. En effet, le cycle limite obtenu numériquement présente de nombreuses similitudes avec les données expérimentales. Les principaux mécanismes analysés sur les simulations 2D sont également retrouvés sur ce cas 3D assurant une modélisation plus fidèle de la turbulence et de l'acoustique, validant ainsi l'ensemble.

The design of future ramjets would benefit from a better understanding of the combustion instabilities that occur in flows featuring recirculation zones : a problem studied at ONERA by the means of the MICAEDI combustor from the LAERTE test facility. In this experimental setup, a methane-air premixed flame stabilizes at the vicinity of a backward-facing step, in an environment comparable to ramjet combustors. At certain operating points, significant pressure oscillations accompanied by periodic flame flashbacks appear due to the triggering of longitudinal acoustic modes. In this thesis work, the CEDRE CFD solver is used in order to restitute those instabilities, to study them and to improve their understanding. A post-processing methodology based on disturbance energy budgets (DEB) is elaborated. Its first application to the case of a one-dimensional acousticallyforced premixed flame puts into evidence two dimensionless numbers that can be used to describe its dynamicsby means of scaling laws : (i) a Strouhal number associated with the the flames motions that compares its flapping magnitude to the laminar flame thickness, and (ii) the magnitude of the velocity perturbation normalized using the laminar flame propagation speed. Large-eddy simulations of flames stablized in the vicinity of a backward-facing step are then carried out. In two dimensions (2D), this approach makes it possible to reproduce combustion dynamics similar to that observed in the MICAEDI experiment at a moderate computational cost. A sensitivity study is conducted on the operating parameters to clarify the phenomenology associated with the development of combustion instabilities and the occurence of flame flashbacks. It appears that the feedback loop between longitudinal acoustic modes and flame front oscillations is favoured if the symmetry of the flame wrinkles is broken by the action of the recirculation bubble establishing itself at the foot of the step. This mechanism is favoured if the acoustic mode displays a velocity node at the vicinity of the step and if its frequency is low and/or close to the characteristic frequency of the Kelvin-Helmholtz instability. Oscillations may also occur at lower frequencies as a result of flapping of the point where the flame re-attaches to the combustor upper wall.These oscillations can cause flashbacks by the mean of two mechanisms : (i) synchronization between the oscillations of the acoustic modes and the periodic detachments of the recirculation bubble which then rises above the step before being convected downstream, a process during which the flame is transported upstream and (ii)action of the flame which, during its propagation in the boundary layer at low frequencies, causes its detachment and thus favours the birth of new flashbacks at higher frequencies. While bubble detachment causes flashbacks at high levels of velocity oscillation (the direction of the flow is close to reversing, or even reverses periodically), boundary layer flashbacks are likely to occur at more moderate levels. In three dimensions (3D), the use of a geometry representative of the MICAEDI combustor allows a detailed reproduction of the observed instabilities. Indeed, the limit cycle obtained numerically shows many similarities with the experimental data. The main mechanisms analysed on the 2D simulations are also observed on this 3D case, ensuring a more accurate modelling of the turbulence and acoustics, thus validating the whole approach followed in this manuscript.