Experimental highlighting and modelling of spray combustion regimes present in gas turbine combustors
Mise en évidence expérimentale et modélisation des régimes de combustion diphasique présents dans les foyers aéronautiques
Résumé
Nowadays, combustion of hydrocarbons is widespread in many engineering applications, including
aeronautical propulsion. However, gas turbines produce pollutant emission levels that are no longer
accepted. Therefore, understanding physical phenomena involved in combustion chambers is a major
issue to help to the development of more eco-friendly engines. In aero-engine combustors, fuel is
injected as a spray of droplets which generates a strong interaction with the turbulent air flow and the
flame. This thesis aims at contributing to the development of two-phase combustion models to
improve the predictive ability of numerical simulation tools. To do so, a new test setup dedicated to
the study of two-phase turbulent flames has been designed and an experimental database has been
built (non-reactive and reactive conditions). Simultaneous visualizations of Mie scattering droplets and
heat release rate have highlighted a complex flame structure and the existence of different spray
combustion regimes. Another important point of this work was to perform a statistical analysis of the
spatial distribution of droplets under reactive conditions using an original measurement method. This
analysis permitted to measure the inter-droplet distances (nearest neighbor) in different points of the
flow and to assess the errors related to the processing of data through a numerical approach. It further
appears that the spatial distribution of droplets is similar to an uniform random law while droplet
combustion models are often based on a regular law.
De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses
applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des
niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension
des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au
développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme
d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la
flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion
diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un
nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base
de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations
simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de
mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de
combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution
spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a
permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de
l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En
outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors
que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière.