Vers des simulations numériques prédictives dans les chambres de

combustion avancées :

Expérience et modélisation des instabilités dans les chambres de combustion

acoustiquement contrôlées

Laboratoire EM2CEcole Centrale Paris

CNRS UPR 288

N. Tran, T. Schuller et S. Ducruix

Contexte

Combustion Pauvre

Prémélangée

Réduction des émissions de

polluants

Diminution de la consommation

Combustion plus instable

Retour de flamme

Extinction

Couplage résonant Acoustique Combustion

120

80

40

0

60

40

20

0

1700 1900 2100 2300 T [K]

Ém

iss

ion

s d

e C

O [

pp

mv

]

Ém

iss

ion

s d

e N

Ox

[pp

mv

]

0.55 0.7 0.85 1 Richesse

CO

NO

Domaine de

fonctionnement

NOmax

Limite d’extinction pauvre

COmax

Couplage Acoustique - Combustion

Écoulement Combustion

Acoustique

Fluctuations de• Vitesse• Richesse

Fluctuations de• Dégagement de chaleur• Pression

Fluctuations de• Vitesse• Pression

Nécessité d’outils prédictifs pour déterminer le déclenchement

d’instabilités

Ce couplage résonant mène à la croissance d’instabilités de combustion, potentiellement destructives

> 0Variation d’ énergie acoustique

dans le système=

Bilan d’énergie acoustique

Une instabilité croît lorsque les fluctuations de pression acoustique et de dégagement de chaleur sont en phase

Critère de Rayleigh

Pas de prise en compte des flux acoustiques aux

limites

MAIS

Bilan d’énergie acoustique

Flux acoustiques aux limites : Nuls aux parois Non négligeables aux entrées / sorties de la chambre de combustion

Bilan d’énergie acoustique

Importance des conditions aux limites acoustiques sur les instabilités thermo-acoustiques

MAIS

Industrie : conditions non connues, non mesurables

Laboratoire : Peu de bancs avec des conditions maîtrisées Peu de mesures précises des conditions limites

Donc peu de modèles, ni de validation d’outils numériques

Objectifs du projet

Développement d’un système de contrôle des conditions aux limites acoustiques : Passif Prédictible Efficace

Instrumentation acoustique d’un banc : Mesure de spectres et de flux acoustiques Mesure du coefficient de réflexion

Étude de l’effet de la condition amont sur les instabilités auto-entretenues

Contrôle Passif des Conditions Limites Acoustiques

Banc expérimental EC2

Microphones

Air

Propane

Puissance ~ 40 kW

Fonctionnement pauvre : richesse ~ 0.85

Prémélange partiel Air + Propane gazeux

Stabilisation par fort écoulement tournant

Chambre : 50 x 10 x 10 cm3

Canal d’injection : diamètre 30mm

Régimes de combustion fortement instables

Combustion instable

Régime instable : flamme fortement turbulente

Séquence d’allumage

temps

Système de contrôle amont : mise en place

Configuration d’origine

Configuration modifiée

Système de contrôle passif

Aucun système actif Pas de modification de la géométrie Pas de changement des conditions de fonctionnement

Système de contrôle amont : principe

Pilotage du coefficient de réflexion acoustique d’une plaque perforée

Carte de fonctionnement Pilotage à fréquence fixée

Coefficient de réflexion

Situation initiale : forte instabilité

Forte instabilité à 280 Hz

~ 135 dB dans l’injection

~ 127 dB dans la chambre

M1

M2

M4

M5

M6

M7

Situation contrôlée : disparition de l’instabilité

Forte réduction de l’instabilité à 280 Hz

-20 dB dans l’injection

-12 dB dans la chambre

M1

M2

M4

M5

M6

M7

État des travaux Instrumentation acoustique d’un banc à la fois dans la

chambre de combustion et le système d’injection

Développement d’un système de contrôle passif des conditions aux limites acoustiques, prédictible et efficace

Étude détaillée de l’effet de la condition amont sur les instabilités auto-entretenues

Perspectives Etude de l’influence de la condition aval

Contacts industriels pour tests sur configuration réelle