Experimental study of the linear and non-linear behavior of a two-phase flame subjected to acoustic excitation
Etude expérimentale du comportement linéaire et non linéaire d’une flamme diphasique soumise à une excitation acoustique
Résumé
For environmental constraints, the new generations of aeronautical chambers, whose operation is based on a so-called "poor" combustion regime, are predisposed to the appearance of so-called thermo-acoustic instabilities. These instabilities, due to a coupling between the unsteady heat release q' and the acoustic pressure (p') or speed (v') oscillations, can lead to a strong amplification of the pressure and temperature oscillations and lead to the destruction of the chamber or engine extinction. An important factor in these phenomena is the phase difference between the acoustic oscillations and the flame response. To prevent the risks associated with these instabilities, preliminary simulations of combustion chamber behaviour are carried out. For this, two approaches can be considered. The first is based on two-phase and reactive LES simulations. The second is based on low order models based on the resolution of Helmholtz linearized equations and using a network type resolution method. The first approach requires a fine simulation of all the phenomena at the origin of the coupling and in particular the consideration of the behaviour of the liquid phase associating atomization, filming, droplets transport and evaporation. The second approach requires a model of the flame response to acoustic excitation. The work carried out in this thesis aims at providing detailed experimental data to feed these two approaches. It is thus composed of two parts. The first focuses on the unsteady behaviour of a liquid jet injected transversely to an acoustically excited air flow. This configuration makes it possible to reproduce the phenomena observed in a real injector. The measurements carried out enable the cyclic behaviour of the jet, its atomisation and the droplet spray thus formed to be analysed and to determine the characteristic times and velocities associated to the phenomena observed. The second part aims to study the non-linear behaviour of a two-phase flame obtained downstream of an aeronautical injector. These results are used to develop a flame response model called the "Flame Descriptive Function (FDF)", necessary for the implementation of low order models. This characterization first required the development of an original method for measuring heat release by chemiluminescence. The results obtained for two injector operating points and different excitation frequency and amplitude values highlighted the non-linear behaviour of the flame, which leads to saturation, at the origine of the limit cycles observed in real chambers.
Pour répondre aux contraintes environnementales, les nouvelles générations de chambre aéronautique, dont le fonctionnement est basé sur un régime de combustion dit « pauvre », sont prédisposées à l’apparition d’instabilités dites thermo-acoustiques. Ces instabilités dues à un couplage entre le dégagement de chaleur instationnaire q’ et les oscillations de pression (p’) ou de vitesse (v’) acoustique, peuvent entraîner une forte amplification des oscillations de pression et de température et conduire à une destruction de la chambre ou à un arrêt du moteur. Un critère important intervenant dans ces phénomènes est le déphasage entre les oscillations d’origine acoustique et la réponse de la flamme. Pour prévenir l’apparition des risques liés à ces instabilités, des simulations préalables du comportement des chambres de combustion sont réalisées. Pour cela deux approches peuvent être envisagées. La première, est basée sur des simulations LES diphasiques et réactives. La seconde repose sur des modèles bas ordres basés sur la résolution des équations linéarisées d’Helmholtz et utilisant une méthode de résolution de type réseau. La première approche nécessite une simulation fine de l’ensemble des phénomènes à l’origine du couplage et en particulier la prise en compte du comportement de la phase liquide associant atomisation, ruissellement, transport de gouttes et évaporation. La seconde approche nécessite quant à elle un modèle de réponse de flamme à une excitation acoustique. Le travail réalisé dans cette thèse a pour objectif de fournir des données expérimentales détaillées pour alimenter ces deux approches. Il est ainsi constitué de deux parties. La première se focalise sur le comportement instationnaire d’un jet liquide injecté transversalement à un écoulement d’air excité acoustiquement. Cette configuration permet de reproduire les phénomènes observés dans un injecteur réel. Les mesures réalisées permettent d’analyser le comportement cyclique du jet, de son atomisation et du brouillard de gouttes ainsi formé et de remonter à des temps et des vitesses caractéristiques des phénomènes observées. La seconde partie a pour objectif d’étudier le comportement non linéaire d’une flamme diphasique obtenue à l’aval d’un injecteur aéronautique. Ces résultats permettent d’élaborer un modèle de réponse de la flamme appelée « Fonction Descriptive de Flamme (FDF) », reliant les oscillations de dégagement de chaleur qu’à l’excitation acoustique u’, nécessaire à la mise en oeuvre des modèles de type bas ordres. Cette caractérisation a nécessité au préalable le développement d’une méthode original de mesure de dégagement de chaleur par chimiluminescence. Les résultats obtenus pour deux points de fonctionnement de l’injecteur et différentes valeurs de fréquence et amplitude d’excitation, ont mis en évidence le comportement non linéaire de la flamme engendrant un phénomène de saturation à l’origine des cycles limites observés sur des chambres réelles.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)