Thèse soutenue

Simulation et analyse de la forme, performance et stabilité des flammes dans un brûleur aéronautique à deux étages en régime de combustion pauvre
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Auteur / Autrice : Léo Cunha Caldeira Mesquita
Direction : Sébastien DucruixAymeric Vié
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Combustion
Date : Soutenance le 09/11/2021
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)
référent : CentraleSupélec (2015-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Aimee S. Morgans
Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Amsini Sadiki, Mirko Bothien, Alain Cayre
Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Cuenot, Amsini Sadiki

Résumé

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Le nombre croissant de vols et le changement climatique imposent de réduire les émissions polluantes des moteurs aéronautiques. L’utilisation de brûleurs de type Lean Premixed Prevaporised (LPP) peut permettre d’atteindre cet objectif, en raison de faibles température et donc de faibles émissions polluantes. Cependant, ces brûleurs peuvent présenter des instabilités de combustion, des remontées de flamme ou encore de l’extinction pauvre. Cette thèse analyse l’utilisation de l’injection étagée, une technique pour améliorer la stabilité de ces brûleurs, où la flamme est adaptée avec le changement de la quantité de carburant injecté dans les différents étages. Nous étudions le brûleur à deux étages BIMER : son étage pilote utilise un injecteur pressurisé pour stabiliser la flamme, et son étage multipoint possédant plusieurs injecteurs est dédié au régime LPP.Les études précédentes ont montré qu’il est possible de stabiliser trois types de flamme dans ce brûleur, les transitions entre elles étant déclenchées par un changement du facteur d’étagement. En revanche, les phénomènes contrôlant ces transitions n’ont pas été totalement compris. L’objectif de cette thèse est d’investiguer ces trois flammes et leurs transitions en réalisant des Simulations aux Grandes Échelles des expériences de Renaud (2015).Comparé à Cheneau (2019), le setup numérique a été amélioré en utilisant une description Lagrangienne pour la phase liquide et un maillage plus fin dans la région de la flamme. Ces améliorations conduisent à un bon accord avec les expériences, autant en non-réactif qu’en réactif.Ensuite, l’allumage de la chambre a été étudié. Nous avons montré que les trois formes de flamme peuvent être retrouvé en choisissant les conditions d’opération et la localisation de l’étincelle appropriés. Les mécanismes de propagation ont été investigués et l’importance de l’interaction de l’écoulement avec l’acoustique pour la stabilisation de la flamme a été constatée.Les flammes résultantes ont été étudiées, en portant notamment le focus sur leur aérodynamique. Les flammes M et Tulipe montrent un éclatement tourbillonnaire du type bulle (BVB), alors que la flamme V présente un éclatement tourbillonnaire de type conique (CVB). L’aérodynamique impacte fortement la réponse de la flamme à l’étagement : la flamme V répond idéalement en changeant d’une flamme de diffusion pour une injection purement pilote à une flamme complètement prémélangée pour une injection purement multipoint. Les flammes M et Tulipe ne changent pas quant à elles leurs structures, gardant un régime de prémélange et de diffusion, respectivement, indépendamment de la valeur du facteur d’étagement.Finalement, les transitions entres les trois flammes ont été étudiées. La transition Tulipe-V est déclenchée par une augmentation de la richesse, qui augmente la température et la pression dans la bulle de recirculation centrale et force le mode BVB à transiter vers un mode CVB, ce qui change la forme de la flamme. Nous proposons par la suite un critère de stabilité du mode BVB. La transition V- M résulte d’une instabilité de combustion déclenchée quand on coupe l’injection pilote, ce qui force le mode CVB à transiter à nouveau au mode BVB, changeant ainsi la forme de flamme. La transition M-Tulipe est aussi une conséquence d’une instabilité de combustion, qui cause une remontée de la branche centrale de la flamme et son attachement au spray pilote quand la portion de carburant injecté dans l’étage pilote est suffisante. Le comportement thermique de la chambre joue aussi un rôle essentiel pour que cette transition ait lieu.Cette thèse met en exergue la relation entre le mode d’éclatement tourbillonnaire et la forme de flamme et comment ils définissent la stabilité du système. Nous concluons que la flamme V et le mode CVB sont optimaux pour profiter complètement des avantages de l’injection étagée, permettant le comportement de la flamme d’être adapté en fonction des exigences de l’opération