Projet	FASMIC
	Couplage flammes/acoustique dans des foyers multi-injections diphasiques swirlés
Coordinateur	Françoise BAILLOT (UMR 6614 CNRS – CORIA)
Partenaires	– Laboratoire CORIA UMR 6614 CNRS, Françoise BAILLOT, Professeure des Universités – Laboratoire EM2C UPR 288, Clément MIRAT, Ingénieur de Recherche, Docteur – CERFACS, Laurent Gicquel, Ingénieur de Recherche, Docteur-HDR

Le projet FASMIC est un projet de recherche fondamentale avec un objectif d’application dans le domaine de la dynamique de la combustion dans les turbines à gaz et les moteurs aéronautiques, coordonné par Françoise Baillot, professeur à l’Université de Rouen. Il associe également Jean-Bernard Blaisot et Eric Domingues du CORIA, Laurent Giquel et Davide Laera du Cerfacs, Toulouse, Daniel Durox, Antoine Renaud, Clément Mirat et Sébastien Candel du laboratoire EM2C, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay. Le projet a commencé en juin 2016 et a duré 42 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 370 k€ (135 k€ pour Coria, 109 k€ pour EM2C, 126 k€ pour Cerfacs) pour un coût global de l’ordre de xxx  €

Les problèmes de dynamique de la combustion sont particulièrement complexes et pour cette raison nécessitent une approche combinant l’expérimentation, la modélisation théorique et la simulation. Ces trois types d’approches sont exploités au sein du consortium FASMIC. L’expérimentation est réalisée à la fois au Coria dans TACC, un système comportant trois injecteurs et à EM2C au moyen de SICCA-Spray, un système mono-injecteur et de MICCA-Spray, un foyer annulaire comportant seize injecteurs. Les injecteurs conçus à EM2C sont partagés avec le Coria. Les travaux de modélisation sont réalisés au sein des trois laboratoires. Les simulations aux grandes échelles correspondant à ce projet sont principalement réalisées au Cerfacs et à EM2C.

Le projet FASMIC est un projet de recherche fondamentale avec un objectif d’application dans le domaine de la dynamique de la combustion dans les turbines à gaz et les moteurs aéronautiques, coordonné par Françoise Baillot, professeur à l’Université de Rouen. Il associe également Jean-Bernard Blaisot et Eric Domingues du CORIA, Laurent Giquel et Davide Laera du Cerfacs, Toulouse, Daniel Durox, Antoine Renaud, Clément Mirat et Sébastien Candel du laboratoire EM2C, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris-Saclay. Le projet a commencé en juin 2016 et a duré 42 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 370 k€ (135 k€ pour Coria, 109 k€ pour EM2C, 126 k€ pour Cerfacs) pour un coût global de l’ordre de xxx  €

Les problèmes de dynamique de la combustion sont particulièrement complexes et pour cette raison nécessitent une approche combinant l’expérimentation, la modélisation théorique et la simulation. Ces trois types d’approches sont exploités au sein du consortium FASMIC. L’expérimentation est réalisée à la fois au Coria dans TACC, un système comportant trois injecteurs et à EM2C au moyen de SICCA-Spray, un système mono-injecteur et de MICCA-Spray, un foyer annulaire comportant seize injecteurs. Les injecteurs conçus à EM2C sont partagés avec le Coria. Les travaux de modélisation sont réalisés au sein des trois laboratoires. Les simulations aux grandes échelles correspondant à ce projet sont principalement réalisées au Cerfacs et à EM2C.

Le projet FASMIC vise à examiner les mécanismes entraînant des instabilités thermo-acoustiques dans le cas de systèmes comprenant plusieurs injecteurs swirlés dans lesquels le combustible est injecté sous forme liquide. Les objectifs scientifiques apporteront des éléments de base et des méthodologies pour l’optimisation des technologies d’injection et d’architectures de chambre de combustion dans les moteurs aéronautiques. Les principales questions peuvent être résumées comme suit:

·        La dynamique de flammes formées par des injecteurs swirlés diphasiques n’est pas bien documentée dans la littérature antérieure.  Les expériences et simulations sur ce type de flammes sont difficiles et peu nombreuses. L’injection du combustible sous forme d’un spray de gouttelettes modifie l’interaction entre l’écoulement, la combustion et l’acoustique mais l’effet sur la dynamique de la combustion est mal connu.

·        Dans les moteurs aéronautiques, les instabilités de combustion à basse fréquence les plus dangereuses se produisent dans la direction azimutale par une interaction complexe entre la réponse longitudinale des injecteurs et la réponse directe de l’écoulement gazeux et du spray aux modes transverses. Ce couplage longitudinal et transversal entre la dynamique des écoulements et l’acoustique n’a pas encore été étudié dans le cas des écoulements diphasiques.

·        Des interactions entre les flammes et l’écoulement ont lieu entre des injecteurs voisins et la réponse de plusieurs injecteurs n’est pas connue. On suppose en général que la réponse de chaque injecteur peut être considérée comme découplée de celles des injecteurs adjacents. La dynamique des multi-injecteurs mérite d’être étudiée notamment pour permettre la détermination de la réponse d’un injecteur central entouré par des injecteurs latéraux.

 

Les objectifs du projet sont d’améliorer la compréhension des instabilités thermo-acoustiques dans le contexte de la combustion de sprays de gouttelettes, mais aussi de prédire les conditions de leur apparition. On souhaite aussi examiner le comportement au cycle limite et les effets non-linéaires. La méthode repose sur la mesure des réponses d’une flamme en la forçant acoustiquement par des moyens expérimentaux ou numériques (dans le cas de simulations aux grandes échelles). On détermine ainsi une fonction de transfert de flamme (FTF) ou une fonction descriptive de flamme (Flame Describing Function ou FDF), qui sont utilisées dans les modèles et les codes pour prédire la stabilité d’un système. De plus, le forçage acoustique est aussi un outil précieux pour décrire la dynamique de la combustion. Il contribue à produire des scénarios expliquant la perte de stabilité d’un système. Jusqu’à présent, cette approche n’a pas été appliquée aux configurations multi-injecteurs diphasiques swirlés en présence d’ondes azimutales (stationnaires ou tournantes).

Des expériences systématiques engagées à EM2C sur l’installation MICCA-Spray ont conduit à  des résultats originaux sur les instabilités azimutales, avec notamment :

• La mise en évidence d’un mécanisme d’extinction partielle de flammes lorsqu’une instabilité couplée par un mode azimutal stationnaire (standing) atteint des niveaux d’amplitude élevée (Prieur et al. 2018). Cette observation remarquable a d’abord été caractérisée au moyen de l’imagerie rapide de l’émission de lumière des flammes. Une théorie a été développée pour interpréter ce phénomène critique.
• Le phénomène décrit précédemment a fait l’objet d’une analyse plus complète au moyen de la DMD (Dynamic Mode Decomposition). Il a été montré, en analysant le champ de pression reconstruit à partir des signaux enregistrés par un ensemble de 8 microphones, que la distribution de pression initialement symétrique lorsque le niveau d’oscillation est faible devient dissymétrique lorsque le niveau augmente et que des flammes sont soufflées (Vignat et al. 2020 a). Ainsi les instabilités peuvent non seulement induire une extinction partielle des flammes mais une modification des modes acoustiques du fait de la  variation du champ de température associée à l’extinction partielle des flammes.

Figure 1. Extinction partielle de flammes induite par des instabilités de combustion de grande amplitude. Lorsque le niveau de fluctuation de pression associé au mode acoustique azimutal dépasse 1.8 kPa on observe une extinction partielle des flammes situées au voisinage de la ligne nodale. Pour un niveau de 6.1 kPa, l’extinction touche 5 flammes. Expériences réalisées sur MICCA-Spray. (Vignat et al. 2020).

• Les expériences réalisées en alimentant MICCA-Spray avec trois types de combustible (prémélange air-propane, spray d’heptane, spray de dodécane) ont permis une comparaison originale et à notre connaissance unique de l’influence du combustible et du mode de combustion dans une configuration annulaire. Il a ainsi été possible de voir comment le combustible influait sur les zones d’instabilités. Cette analyse a été complétée par la mesure des fonctions descriptives de flamme (FDF), cette fois au moyen de l’installation SICCA-Spray. Les travaux théoriques engagés en parallèle (Schuller, Poinsot & Candel, 2020) combinés avec les FDF ont guidé l’interprétation des résultats d’essais au moyen d’un indice d’instabilité qui permet de positionner les divers points de fonctionnement par rapport aux bandes d’instabilité théoriques (Rajendram Soundararajan et al. 2020, 2021).

Figure 2. Fonction de transfert de flammes pour trois types de combustibles (prémélange propane/air, heptane liquide, dodécane liquide) et deux points de fonctionnement. Les bandes grisées représentent les régions instables (issues de la modélisation théorique) et les lignes rouges, bleues et vertes délimitant les bandes grises représentent les limites d’instabilité pour le propane, l’heptane et le dodécane respectivement. Les limites de fréquence (en Hz) des bandes instables sont marquées en haut des graphiques. Le graphique de gain représenté ici est lissé à l’aide d’une moyenne glissante sur cinq points. (Rajendram Soundararajan et al. 2020)

Pour examiner plus finement certains aspects de la dynamique de combustion et de l’injection, des études expérimentales ont aussi été menées sur le système à un seul injecteur SICCA-Spray :

• Afin de comprendre l’effet de la perte de charge du dispositif d’injection sur les régimes d’instabilité, une étude a été réalisée en définissant un jeu d’injecteurs ayant des pertes de charge différentes mais des nombres de swirl identiques. L’étude a montré que la perte de charge avait un impact important sur les modes acoustiques couplant les instabilités et sur le type d’oscillation résultant du couplage (Vignat et al. 2019).
• Des études réalisées à EM2C conjointement avec l’équipe « Plasma » ont eu pour objet l’amélioration du comportement au voisinage de la limite d’extinction pauvre (Lean Blow Out, LBO) au moyen d’un dispositif de décharges plasma nanoseconde (Vignat et al. 2021a). Le système permet effectivement d’augmenter le domaine d’opérabilité et donc la marge à l’extinction pauvre.
• Une étude spécifique a été réalisée pour analyser la dynamique du noyau tourbillonnaire en précession (precessing vortex core ou PVC). Cette étude a été réalisée au moyen d’une technique d’imagerie rapide testée jusqu’à 100 kHz et utilisant un ensemencement de l’écoulement en particules microniques de dioxyde d’étain (SnO₂). Cette méthode de tomographie permet de visualiser la flamme et de révéler la géométrie du PVC.  On peut ainsi suivre l’évolution temporelle de cette structure ainsi que ses modifications temporaires liées au phénomène de flashback. La méthode et son application font l’objet d’une publication (Vignat et al. 2021b).

Au niveau théorique et dans le domaine de la simulation numérique les travaux réalisés ont notamment porté sur les points suivants :

• L’analyse des instabilités de combustion au moyen des fonctions de transfert de flamme et de leur extension non-linéaire sous la forme des fonctions descriptives de flammes (FDF). Ces avancées, réalisées conjointement entre EM2C et Cerfacs, font l’objet d’un article de 95 pages publié dans le Journal of Fluid Mechanics (Schuller, Poinsot & Candel, 2020). Les résultats théoriques obtenus peuvent guider l’interprétation des observations expérimentales effectuées sur MICCA-Spray et sur SICCA-Spray comme indiqué plus haut.
• Une étude par simulation aux grandes échelles (Large Eddy Simulation, LES) a permis de comprendre les observations expérimentales effectuées sur le spray formé par le dispositif d’injection. Il a ainsi été possible de retrouver la distribution de vitesse bi-modale observée expérimentalement (Vignat et al. 2020c) et de valider la modélisation adoptée pour les calculs aux grandes échelles diphasiques suivant une approche lagrangienne pour la phase liquide dispersée.

Figure  3 Probabilité de la vitesse axiale conditionnée par le diamètre des gouttelettes à z=5 mm  du plan d’injection et aux positions radiales r = 4, 5 et 6 mm de l’axe. La rangée du haut donne les résultats expérimentaux mesurés par anémométrie phase Doppler (PDA). La rangée du bas, les résultats de la simulation (LES). Vignat et al. (2020c).

• Des calculs LES réalisés dans la configuration SICCA-Spray ont permis de retrouver avec une précision suffisante la dynamique de flamme observée dans des expériences d’instabilité sur SICCA-Spray. Ces travaux ont été réalisés conjointement entre EM2C et Cerfacs. Une nouvelle méthode de traitement des données fondée sur une intégration sur la section de la chambre a été conçue pour réaliser une analyse spatio-temporelle du couplage entre la combustion et l’acoustique (Vignat et al. 2021c). Ce type d’analyse qui ne semble pas avoir été utilisé antérieurement donne accès au mécanisme de couplage en montrant comment les perturbations initialement convectives se couplent avec le mode acoustique. On peut ainsi déterminer quels mécanismes physiques sont à l’origine du délai associé à la réponse de la flamme aux perturbations acoustiques.

Figure 4.   Représentation spatio-temporelle de l’évolution du débit massique total pendant trois cycles d’oscillation tracés. Isocontours rouges: perturbations du taux de dégagement de chaleur; les lignes noires correspondent  aux moments où la pression acoustique dans la chambre devient nulle.  Le diagramme fait apparaître la transition entre la région ou les perturbations sont convectives et la région où elles deviennent purement acoustiques. (Vignat et al. 2021c).

Les progrès réalisés dans le cadre de ce projet ont un intérêt direct sur le plan industriel. Les problèmes de dynamique de la combustion doivent être traités avec attention car les phénomènes d’instabilité peuvent réduire l’opérabilité des turbines à gaz et des moteurs aéronautiques, produire des vibrations et des oscillations de pression, augmenter les flux de chaleur vers les parois de la chambre, entraîner une dégradation mécanique, réduire la durée de vie par fatigue cyclique et dans les cas le plus extrêmes induire une rupture de composants ou de systèmes conduisant à l’arrêt de la turbine à gaz avec des conséquences sérieuses pour la sécurité lorsqu’il s’agit d’un moteur aéronautique. Les avancées fondamentales sur ce qui détermine ces comportements sont particulièrement importantes. Le projet apporte de ce point de vue une masse de connaissances unique avec notamment des travaux expérimentaux systématiques sur les injecteurs swirlés typiques des configurations pratiques dans deux configurations complémentaires, l’une localisée au CORIA (TACC) et l’autre à EM2C (SICCA-Spray). Entre autres, la caractérisation des injecteurs par les fonctions descriptives de flammes a permis de cerner le comportement non-linéaire de l’écoulement réactif. Les travaux sur MICCA-Spray ont notamment mis pour la première fois en évidence un phénomène particulièrement dangereux de soufflage de flamme lorsque le niveau de fluctuation atteint des amplitudes très élevées (de l’ordre de quelques pourcents de la pression chambre). Il s’agit d’une information de premier plan au niveau pratique. Les conditions critiques dans lesquelles le phénomène d’extinction partielle se manifeste ont été déterminées dans les expériences sur MICCA-Spray (EM2C). Des travaux ont été lancés pour reproduire ces conditions dans TACC (Coria) et pourront faire l’objet d’une poursuite dans l’avenir.

Sur le plan théorique et sur celui de la modélisation, les travaux réalisés conjointement par EM2C et Cerfacs ont conduit à des résultats sur la modélisation des sprays issus d’injecteurs swirlés. Le sujet est essentiel pour la conception des foyers aéronautiques. Les améliorations de la modélisation de ces sprays ont un impact pratique et une réunion a été organisée avec les ingénieurs de Safran Aircraft Engines pour transférer les connaissances dans ce domaine précis.

D’une façon générale, les travaux réalisés dans le cadre de FASMIC ont fait l’objet de présentations dans le cadre des journées des doctorants mises en place chaque année par le groupement français de combustion ou le groupe Safran et dans le cadre du colloque INCA (INitiative sur la Combustion Avancée) organisé en 2017 à Safran Tech.

Liste des publications multipartenaires (résultant d’un travail mené en commun)

Revues à comité de lecture

 

1.      T. Schuller, T. Poinsot and S. Candel (2020) Journal of Fluid Mechanics. Vol. 894, P1-1-P1-95. Dynamics and control of premixed combustion systems based on the flame transfer and describing functions.

2.      G. Vignat, E. Lo Schiavo, D. Laera, A. Renaud, L. Gicquel, D. Durox and S.Candel (2021) Proceedings of the Combustion Institute 38, Online. Dynamics of spray and swirling flame under acoustic oscillations : a joint experimental and LES investigation.

 

Liste des publications monopartenaires (impliquant un seul partenaire)

EM2C

Revues à comité de lecture

1.      K. Prieur, D. Durox, G. Vignat, T. Schuller and S. Candel (2018). J. Eng. Gas Turbines Power 140(3), 031503 (Oct 17, 2017) (10 pages). Strong Azimuthal Combustion Instabilities in a Spray Annular Chamber With Intermittent Partial Blow-Off.

2.      G. Vignat, D. Durox, K. Prieur and S. Candel (2019) Proceedings of the Combustion Institute, 37, 5205-5213. An experimental study into the effect of injector pressure-loss on self-sustained combustion instabilities in a swirled burner.

3.      G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2020) Journal of Engineering for Gas Turbines and Power Vol. 142 (1) 011016. High amplitude combustion instabilities in an annular combustor inducing pressure field deformation and flame blow-off.

4.      G. Vignat, D. Durox, T. Schuller and S. Candel (2020) Combustion Science and Technology. Vol. 192.  1358-1388. Combustion dynamics of annular systems.

5.      G. Vignat, N. Minesi, P. Rajendram Soundararajan, D. Durox, A. Renaud, V. Blanchard, C.O. Laux and S. Candel (2021) Proceedings of the Combustion Institute 38, Online. Improvement of lean blow out performance of spray and premixed swirled flames using nanosecond repetitively pulsed discharges.

6.      G. Vignat, D. Durox, A. Renaud, T. Lancien, R. Vicquelin and S. Candel (2021) Combustion and Flame, 225, 305-319. Investigation of transient PVC dynamics in a strongly swirled spray flame using high speed planar laser imaging of SnO2 micro-particles.

7.      G. Vignat, P. Ranjendram Soundarajan, D. Durox, A. Vié, A. Renaud and S. Candel (2020), Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Accepted for publication. A joint experimental and LES characterization of the liquid fuel spray in a swirl injector.

8.      P. Rajendram Soundarajan, G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2020) Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Accepted for publication. Effect of different fuels on combustion instabilities in an annular combustor.

 

Communications internationales (conférence)

1.      K. Prieur, D. Durox, G. Vignat, T. Schuller and S. Candel (2017). Strong Azimuthal Combustion Instabilities in a Spray Annular Chamber With Intermittent Partial Blow-Off. ASME Turbo-expo. ASME GT2017-63343.

2.      G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2019). High amplitude combustion instabilities in an annular combustor inducing pressure field deformation and flame blow-off. ASME Turbo-expo. ASME GT2019-90738.

3.      G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2019). Quantifying acoustic damping in a multi-injector annular combustor. 9th European Combustion Meeting, Lisboa, Portugal.

4.      G. Vignat, P. Ranjendram Soundarajan, D. Durox, A. Vié, A. Renaud and S. Candel (2020) A joint experimental and LES characterization of the liquid fuel spray in a swirl injector. ASME Turbo-Expo, London, UK, ASME Paper GT2020-14935.

5.      P. Rajendram Soundarajan, G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2020) Effect of different fuels on combustion instabilities in an annular combustor. ASME Turbo-Expo, London, UK, ASME Paper GT2020-15123.

6.      S. Candel (2019) Combustion dynamics of annular systems. Invited lecture, Frontiers of Fluid and Thermal Sciences in Aerospace Engineering: In Celebration of 60 Years of Scholarly Contributions by Professor William A. Sirignano.UC Irvine, California.

7.      S. Candel (2019) Progress and challenges in combustion dynamics. C.C. Mei Distinguished Lecture, MIT, Massachussets, April 8, 2019.

8.      P. Rajendram Soundarajan, G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2021) Submitted for presentation. Effect of injector characteristics on combustion instabilities in a single sector swirl spray combustor. ASME Paper GT2020-59261. 

 

 

Communications France (conférence)

1.      S. Candel (2017) Recherches sur la dynamique de la combustion et leur impact fondamental et appliqué. Conférence plénière, Colloque SPICE (ANR), Paris, 20-21 avril.

2.      K. Prieur, D. Durox, G. Vignat, T. Schuller, S. Candel (2017), Experimental determination of flame describing function of swirling spray flames. Colloque INCA, Châteaufort.

3.      G. Vignat, D. Durox, K. Prieur, R. Vicquelin, S. Candel (2017), Etude détaillée de l’évolution du nombre de swirl dans un injecteur swirlé générique. Colloque INCA, Châteaufort

4.      G. Vignat, D. Durox, K. Prieur, T. Lancien, R. Vicquelin, S. Candel (2018). Tomographie à très haute cadence de flammes turbulentes swirlées au moyen du dioxide d’étain. 16ème congrès francophone de techniques laser, Dourdan, France

5.      G. Vignat, P. Ranjendram Soundarajan, D. Durox, A. Vié, A. Renaud and S. Candel (2020) Etude expérimentale et LES du spray dans un système d’injection swirlé. Journée des doctorants Safran

6.      P. Rajendram Soundarajan, G. Vignat, D. Durox, A. Renaud and S. Candel (2020) Effet du type de combustible sur les instabilités de combustion azimuthales dans un foyer annulaire. Journée des doctorants Safran

 

Conférences de vulgarisation

1.      S. Candel (2018) Combustion science, energy and aerospace propulsion. Distinguished lecture, Department of Mechanical and Process Engineering, ETH, Zürich, November 8, 2018.

2.      S. Candel (2020) Progress in combustion science and applications to energy and aerospace propulsion. Invited lecture, First international flow dynamics Webinar, October 9, 2020. Organized by the Institute of Fluid Science, Tohoku University, Japan