Expérimentations fondamentales en combustion aérobie Instabilités de combustion
Contexte
Les chambres de combustion peu polluantes fonctionnant en régime de prémélange prévaporisé pauvre (LPP : lean premixed prevaporized), les foyers de rechauffe, les statoréacteurs, les foyers de turbine terrestre peuvent présenter des instabilités de combustion, dangereuses pour l’intégrité du système, sous certaines conditions de fonctionnement. Les instabilités de combustion sont la conséquence de processus complexes dans l’écoulement, du dégagement de chaleur et du couplage avec l’acoustique de la chambre de combustion. Dans le cadre du PRF « Instabilités de combustion dans les foyers principaux de turbomachine en vue de leur contrôle », l’étude expérimentale est poursuivie sur la configuration de la flamme turbulente prémélangée air-méthane stabilisée derrière la marche descendante (foyer à élargissement brusque). Elle a pour but d’approfondir la connaissance de ces mécanismes, pour des conditions pratiques. Dans le cas présent, ces instabilités conduisent à un retour de flamme périodique et instationnaire quand la flamme décolle du bord de la marche et se déplace alternativement vers l’amont et l’aval du canal de prémélange.
Banc de combustion
Les adaptations du banc ont porté sur la modification du col sonique d’entrée et du col de sortie (maîtrise des conditions aux limites acoustiques). Une nouvelle marche refroidie, permettra les essais en combustion kérosene-air diphasique.
Les tuyauteries à l’amont du foyer sont constituées de plusieurs manchettes de section rectangulaire 100x65 mm. L’injecteur de méthane (constitué de barreaux percés de trous) est placé 1 m en amont de la marche. En aval de l’injection se trouve une grille qui améliore par la turbulence produite l’homogénéisation du mélange. La hauteur de la marche étant 35 mm, le foyer a une section carrée de 100x100 mm. Le col de sortie comporte un obturateur mobile, afin de permettre l’augmentation de la pression dans la chambre et de changer aussi l’impédance acoustique.
Conditions d'essai
Les essais ont été réalisés sous les conditions à l’entrée de chambre suivantes : 40< vitesse V(m/s) < 65 ; 450 < température T(K) < 650 ; 0,8 < richesse <0,95 ; 200 <débit d’air (g/s) <350 ; nombre de Reynolds basé sur la vitesse et la hauteur de foyer 1-3 x105 , nombre de Reynolds turbulent 1-2x102 ; 1,12 < pression dans le foyer P (bar) < 1,5 ; 550 < puissance thermique (kW) de foyer < 830. Les différents régimes de la combustion on été mis en évidence par des relevés de pressions pariétales et une visualisation par PLIF du radical OH de la flamme au voisinage de la marche.
Régime d'instabilités de combustion
La combustion classique turbulente stable a été observée si le col à la sortie est ouvert et les conditions d’entrée suivantes : P =1,12 bar ; richesse d’environ 0,8 ; T > 500K ; V > 40 m/s. Le spectre de fluctuations de pression n’a aucun pic important.
L’instabilité apparaît si le col à la sortie est partiellement fermé, et par conséquent la pression dans la chambre augmente, P > 1,25 bar. Le spectre des fluctuations de pression présente un pic de 158 dB à la basse fréquence de 66 Hz. Les visualisations par PLIF du radical OH mettent en évidence des mouvements de grande amplitude de la flamme. Au cours de ces instabilités, la structure de la flamme est entièrement détruite, puis recréée à chaque cycle de l’oscillation. Les oscillations de la flamme sont très puissantes et mènent à une remontée importante (jusqu’à deux hauteurs de marche) de la flamme en amont de la marche. Le couplage flamme - acoustique fait apparaître de nombreuses poches de gaz brûlés ou frais, et par conséquent le mécanisme frontal de la flamme est fortement modifié. Cette observation aura de fortes conséquences pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente prémélangée, où le mécanisme frontal est au cœur de l’approche.
Combustion turbulente instable : images instantanées du radical OH
en aval de la marche (x=40 mm) : coupe transverse à l’écoulement
Combustion turbulente instable : images instantanées du radical OH
en aval de la marche
(-10 < x < 40 mm) : coupe longitudinale
