Laboratoire EM2C Ecole Centrale Paris CNRS UPR 288 Vers des simulations numériques prédictives dans les chambres de combustion avancées : Expérience et modélisation des instabilités dans les chambres de combustion acoustiquement contrôlées N. Tran, T. Schuller et S. Ducruix Laboratoire EM2C Ecole Centrale Paris CNRS UPR 288

Contexte

Combustion plus instable Diminution de la consommation Combustion Pauvre Prémélangée Réduction des émissions de polluants 120 80 40 60 20 1700 1900 2100 2300 T [K] Émissions de CO [ppmv] Émissions de NOx [ppmv] 0.55 0.7 0.85 1 Richesse CO NO Domaine de fonctionnement NOmax Limite d’extinction pauvre COmax Combustion plus instable Retour de flamme Extinction Couplage résonant Acoustique Combustion

Couplage Acoustique - Combustion Fluctuations de Vitesse Richesse Écoulement Combustion Fluctuations de Vitesse Pression Fluctuations de Dégagement de chaleur Pression Acoustique Ce couplage résonant mène à la croissance d’instabilités de combustion, potentiellement destructives Nécessité d’outils prédictifs pour déterminer le déclenchement d’instabilités

Bilan d’énergie acoustique Pas de prise en compte des flux acoustiques aux limites MAIS Critère de Rayleigh Une instabilité croît lorsque les fluctuations de pression acoustique et de dégagement de chaleur sont en phase Bilan d’énergie acoustique > 0 = Variation d’ énergie acoustique dans le système 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

Régimes de combustion fortement instables Banc expérimental EC2 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 Microphones Air Propane Régimes de combustion fortement instables

Combustion instable Séquence d’allumage Régime instable : flamme fortement turbulente 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 M1 M2 M4 M5 M6 M7 Forte instabilité à 280 Hz ~ 135 dB dans l’injection ~ 127 dB dans la chambre

Situation contrôlée : disparition de l’instabilité M1 M2 M4 M5 M6 M7 Forte réduction de l’instabilité à 280 Hz -20 dB dans l’injection -12 dB dans la chambre

État des travaux Perspectives 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