Stabilisation et comportement dynamiques de flammes à combustible liquide avec injection multipoint pour l'aéronautique

Stabilization and behavior of liquid fuel flames withmultipoint injection for aeronautics

• Auteur / Autrice : Marie Truffot
• Direction : Franck Richecœur, Laurent Zimmer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 03/08/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Flamme à injection liquide

Combustion prémélangée pauvre

Combustion turbulente

Hystérèse

Traitement du signal

Liquid injection flame

Lean premixed combustion

Turbulent combustion

Hysteresis

Signal processing

Résumé

L'amélioration de la qualité de l'air aux abords des aéroports nécessite une amélioration des stratégies de combustion dans les moteurs d'avion. Afin d'éviter de rencontrer les conditions de forte production d'oxydes d'azote, il est nécessaire de contrôler la température de flamme. L'une des voies à suivre, pour cela, consiste à utiliser un injecteur multipoint permetant de fonctionner dans un mode dit prémélangé pauvre. La stabilisation de flamme étant plus complexe avec ce système, l'injecteur multipoint est généralement couplé avec un autre système d'injection central dit « pilote » permettant d'ancrer la flamme et d'assurer l'allumage du moteur ainsi que son fonctionnement à faible puissance. L'interaction de ces deux étages d'injection provoque des phénomènes nouveaux concernant le comportement des flammes, nécessitant des études complémentaires pour rendre opérables ces systèmes de combustion sur l'ensemble du domaine d'utilisation du moteur. L'étude des flammes avec injection multipoint est réalisée sur le banc BIMER (Banc d'Injection Multipoints Étagé et Réactif [1-2]) dans lequel un injecteur basé sur la simplification d'une géométrie réelle conçue par Safran Aircraft Engine permet la combustion d'une flamme à base de dodécane dans une chambre de combustion à pression atmosphérique. Les études déjà menées sur ce banc ont montrées que la stabilisation des flammes dépend non seulement des conditions opératoires mais aussi de la manière dont le point de fonctionnement est atteint, mettant en exergue un phénomène d'hystérèse. Des instabilités thermo- acoustiques durant lesquelles la flamme entre en résonance avec les modes acoustiques de la chambre de combustion ont également été observées. Tous ces phénomènes sont liés à des modifications dans les modes de stabilisation des flammes. Ainsi, l'utilisation de diagnostics optiques à haute cadence (diffusion de Mie des gouttes de combustible et émission spontanée de la flamme) est couplée à des méthodes de post-traitement avancées comme la Décomposition en Modes Dynamiques afin d'acquérir une meilleure compréhension de ces phénomènes.

Improving air quality around airports requires improving combustion strategies in aircraft engines. In order to avoid meeting the conditions of high production of nitrogen oxides, it is necessary to control the flame temperature. One of the ways to do this is to use a multipoint injector allowing operation in a lean premixed prevaporized (LPP) mode. The flame stabilization being more complex with this system, the multipoint injector is generally coupled with another central injection system called ''pilot'' making it possible to anchor the flame and ensure the ignition of the engine at weak power. The interaction of these two injection stages gives rise to new phenomena concerning the behavior of flames, requiring additional studies to make these combustion systems operable throughout the engine's field of use. The study of flames with multipoint injection is carried out on the BIMER bench (Multipoint Staged and Reactive Injection Bench [1-2]) in which an injector based on the simplification of a real geometry designed by Safran Aircraft Engine allows combustion of a dodecane-based flame in a chamber combustion at atmospheric pressure. The studies already carried out on this bench have shown that the stabilization of the flames depends not only on the operating conditions but also on the way in which the operating point is reached, highlighting a phenomenon of hysteresis. Thermo instabilities Acoustics during which the flame resonates with the acoustic modes of the combustion chamber have also been observed. All these phenomena are linked to modifications in the modes of stabilization of the flames. Thus, the use of high-speed optical diagnostics (Mie scattering of fuel drops and spontaneous flame emission) is coupled with advanced post-processing methods such as Dynamic Mode Decomposition in order to gain a better understanding of these phenomena.