Contexte :
Les chambres de combustion constituent des éléments essentiels de diverses applications techniques, comme les moteurs de fusée, les moteurs aéronautiques et les turbines à gaz. Ces chambres de combustion sont susceptibles d’être le siège d’instabilités de combustion dès lors qu’il s’établit un couplage favorable entre le taux de dégagement de chaleur et les perturbations acoustiques se produisant dans la chambre de combustion. En particulier, parmi les instabilités les plus dangereuses on compte les modes transverses de chambre. La conception des moteurs d’avion nécessite particulièrement la prise en compte d’une éventuelle auto-instabilité de chambre. Cette question est d’autant plus cruciale dans le contexte de la réduction drastique des gaz à effet de serre pour laquelle le secteur aéronautique envisage l’utilisation des SAF (qui sont des combustibles liquides multi-composants) dont le comportement aux instabilités n’est pas quantifié. La multitude des flammes dans la chambre de combustion peut conduire à des interactions de fronts de flammes susceptibles de produire des interférences, amplifiant ou détruisant les instabilités thermoacoustiques. En outre, lorsque les flammes sont soumises à des amplitudes d’oscillation suffisamment élevées, elles peuvent subir un processus de soufflage dynamique (DBO : Dynamical Blow-Out), intégrant des extinctions partielles avant d’aboutir à une extinction totale. Ce phénomène est notamment provoqué par les fluctuations de vitesse acoustique observées en ventre de vitesse acoustique d’un mode stationnaire transversal.
Pour analyser et modéliser les mécanismes à l’origine de ces phénomènes, l’équipe du CORIA a développé le banc expérimental TACC-Spray, qui permet d’étudier la dynamique de flamme en multi-injection (3 ou 5 flammes) de combustibles bi-composants, substituts de SAF, soumise à un champ acoustique transversal dont les fréquences et les amplitudes sont caractéristiques de celles rencontrées dans les chambres annulaires ([1], [2]). Une première étude sans interaction de flammes a été réalisée dans le cadre du projet ANR FASMIC, terminé à ce jour. Elle a permis d’établir les limites du DBO avec et sans acoustique, à partir de laquelle un modèle physique a été proposé [3]. Le présent sujet de stage complète cette démarche. Il s’intègre dans le projet ANR en cours FlySAFe, dans lequel prend place la thèse BIOSAF d’A. Alhaffar.
Objectifs du stage :
L’objectif principal est d’analyser et de comprendre comment l’interaction entre les fronts de flammes « swirlées » issues d’une injection de combustibles liquides mono ou bi-composants affecte le DBO lorsqu’ils sont soumis à des oscillations acoustiques transversales. Pour cela, la réponse de la flamme sera évaluée pour deux distances inter-injecteurs de 40 et 65 mm, la première provoquant des interactions entre les fronts de flamme au contraire de la seconde [4]. Les résultats donnant la limite DBO seront comparés avec le modèle mentionné précédemment [3]. Expérimentalement, plusieurs diagnostics optiques pourront être appliqués. L’accent sera mis sur les mesures des émissions OH* (ou CH*) des flammes à l’aide d’un photomultiplicateur et d’une caméra Phantom V2512 haute cadence (20 000 FPS) capable de saisir le phénomène d’extinction. De plus, un système PDA et une tomographie laser à grande vitesse pourraient être utilisés pour compléter l’analyse de la structure du spray et la dynamique de l’écoulement d’air.
[1] A. Alhaffar, C. Patat, J.-B. Blaisot, É. Domingues, and F. Baillot, “Effect of the fuel composition and the equivalence ratio on the dynamics of swirl-stabilized spray flames to a transverse acoustic mode”, in Symposium on Thermoacoustics in Combustion: Industry meets Academia (SoTiC 2023), Zurich, 2023
[2] F. Baillot, C. Patat, M. Cáceres, J.-B. Blaisot, and É. Domingues, “Saturation phenomenon of swirling spray flames at pressure antinodes of a transverse acoustic field”, in Proceedings of the Combustion Institute, Elsevier Ltd, 2021, pp. 5987–5995. doi: 10.1016/j.proci.2020.06.046
[3] C. Patat, F. Baillot, J.-B. Blaisot, É. Domingues, G. Vignat, P. Ranjendram Soundararajan, A. Renaud, D. Durox, S. Candel, “Swirling spray flames dynamical blow out induced by transverse acoustic oscillations”, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 4, pp. 4651–4659, Jan. 2022, doi:
10.1016/j.proci.2022.08.029
[4] C. Patat, A. Alhaffar, T. Delorme, J.-B. Blaisot, É. Domingues, and F. Baillot, “Dynamics of interacting swirlstabilised spray flames at a pressure antinode of a standing transverse acoustic field”, in 11th European Combustion Meeting, 2023, pp. 2190–2195
[5] C. Patat, J.-B. Blaisot, É. Domingues, F. Baillot, “Response of a spray of n-heptane or dodecane at an acoustic pressure antinode in reactive conditions”, ICLASS, Edinburgh, UK, 29 Aug.-02 Sept 2021
[6] C. Patat, F. Baillot, J.-B. Blaisot, É. Domingues, “Response of lean swirling spray flames to acoustic pressure and transverse velocity perturbations”, Symposium on Thermoacoustics in Combustion (SoTiC 2021), Munich
[7] M. Cáceres, F. Baillot, E. Domingues, J-B. Blaisot, G. Godard, C. Gobin, “New experimental setup for thermoacoustic instabilities investigation in two-phase flow swirled combustion”, Proceedings of the European Combustion Meeting 2017
[8] C. Patat (2022). Mechanisms of combustion dynamics of swirl-stabilised spray flames in a standing transverse acoustic field. In PhD Thesis. Normandie Université. https://theses.hal.science/tel-03998755
[9] M. Caceres (2019). Impact of transverse acoustic modes on a linearly arranged two-phase flow swirling flames. In PhD Thesis. Normandie Université
[10] P. Rajendram Soundararajan, G. Vignat, D. Durox, A. Renaud, S. Candel, “Effect of different fuels on combustion instabilities in an annular combustor”, J. of Engineering for Gas Turbines and Power 143(3) (2021), pp. 031007