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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Énergétique

Par

Florian LESPINASSE

Soutenue le 30 octobre 2014

Réponse de la dynamique d’une flamme prémélangée à des modes acoustiques azimutaux
Jury

Rapporteurs
Sébastien CANDEL, Professeur des Universités, Ecole Centrale de Paris, Laboratoire EM2C
Laurent GICQUEL, Docteur Ingénieur de Recherche, CERFACS Toulouse

Examinateur
Joël QUINARD, Directeur de recherches CNRS, Laboratoire IRPHE Marseille
Vincent MOUREAU, Chargé de recherche CNRS, Laboratoire CORIA
Carlos CRUZ, Docteur Ingénieur de Recherche, SAFRAN, Vernon.

Directrice de thèse
Françoise BAILLOT, Professeure des Universités, Université de Rouen, Laboratoire CORIA

Les besoins énergétiques et les réglementations environnementales actuels nécessitent le développement de nouvelles technologies de combustion, plus rentables et moins polluantes. Malheureusement, ces nouveaux systèmes énergétiques favorisent le développement des instabilités thermoacoustiques.

Pour améliorer la compréhension de ces instabilités de combustion, une nouvelle expérience a été développée au CORIA. Elle porte sur l’analyse de la dynamique d’une flamme en V soumise à une perturbation acoustique stationnaire transverse de fréquence moyenne à haute. Les comportements du jet et de la flamme ont été classés suivant trois bassins d’influence, chaque bassin étant caractérisé par une grandeur physique dominante : bassins d’influence du ventre de pression acoustique (VP), du ventre d’intensité acoustique (VI) et du ventre de vitesse acoustique (VV).

La pression acoustique conduit à un mécanisme de conversion du mode transverse en un mode longitudinal en sortie de brûleur. Cet effet de pression, présent dans l’ensemble du champ acoustique, est lentement décroissant du VP vers le bassin du VI. Cette diminution s’accentue nettement de VI à VV. L’écoulement est caractérisé par une superposition d’une perturbation de nature acoustique liée au mode longitudinal induit, et d’une perturbation de nature convective liée au développement de vortex dans les couches de cisaillement du jet. En réponse à cet écoulement perturbé, la flamme subit une variation périodique de son aire qui induit la fluctuation de son intensité d’émission CH* représentative de la fluctuation du taux de dégagement de chaleur. En dehors du bassin de VP, il existe un gradient de pression acoustique dont les effets, qui s’ajoutent aux effets de pression, provoquent la dissymétrisation des propriétés de l’écoulement et de la flamme. Dans le bassin de VV, la vitesse acoustique génère une fluctuation latérale du système fluide sans produire de fluctuation de l’émission CH*.

Des comportements non-linéaires de la réponse de flamme ont été identifiés. Imposés par l’aérodynamique ou inhérents à la combustion, ces non-linéarités sont responsables de bifurcations fréquentielles dans l’émission du radical CH*. Dans le bassin du VV, des comportements liés à l’acoustique non-linéaire produisent une déviation stationnaire de la flamme et de ses gaz chauds vers un VP.

Ces résultats ont permis d’élaborer des scénarios possibles dans le contexte où plusieurs flammes sont simultanément présentes dans l’ensemble du champ acoustique. Ils contribuent également à la compréhension des comportements ayant lieu dans des boucles de couplages complexes de systèmes auto-oscillants, tels que des changements de modes ou des apparitions et disparitions des instabilités thermoacoustiques.

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