On the Continuous-Rotation Modes of Detonation in an Annular Chamber with Constant or Lineartly-Increasing Normal Section - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2018

On the Continuous-Rotation Modes of Detonation in an Annular Chamber with Constant or Lineartly-Increasing Normal Section

Etude des modes de rotation continue d'une détonation dans une chambre annulaire de section constante ou croissante

(1)
1

Abstract

Our study aims at improving the understanding of how a detonation may continuously rotate. It is focused on rotation modes in an annular chamber with constant or linearly increasing normal section. The functioning principle is based on the continuous injection of fresh reactive gases so as to regenerate a reactive layer ahead of the detonation front and maintain sufficient conditions for detonation propagation. The main incentive of the work is the development of propulsive devices that use detonation as the combustion mode (Rotating Detonation Engine, RDE). We have designed and built an experimental test bench of which the main part is an annular chamber with inner diameter 50 mm length 90 mm, and thickness 5 or 10 mm. The chamber can be equipped with cylindrical or conical kernels with lengths ranging between 12 mm and 90 mm and, for the conical kernels, with the apex half-angles ranging between 0± and 14.6±. The fuel is ethylene and the oxidizer is a mixture of oxygen and nitrogen, and they are injected separately in the chamber. We have considered several nitrogen concentrations so as to vary the reactive mixture detonability. The characterizations of the detonation regimes, velocities and pressures are based upon the analyses of signals from pressure transducers and of direct light visualizations from high-speed cameras. Our experimental results detail the ignition phase, the combustion modes and their stability. We have carried out experiments with several detonabilities, mass-flow rates and kernel geometries. Our main finding is that modifying the kernel geometry, specifically decreasing the kernel length and increasing its conicity (the apex half-angle) significantly improve detonation velocities and pressures, unlike the first two parameters that have much lesser influences, in our conditions. We have conducted a numerical analysis that suggests that dilution and heating of the fresh gases by detonation products explain the measured deficits of pressure and velocity. We have presented a calculation of thermodynamic efficiency which, contrary to former modeling includes a more realistic structure of rotating detonation.We have proposed a calculation of detonation-front height for the rotation modes and the chamber geometries in this work. Our study thus demonstrates the interest in further research work on inner geometry of rotating-detonation chambers and on phenomena that may be responsible for efficiency losses.
Notre étude vise à améliorer la compréhension des modes de rotation continue d’une détonation. Elle porte sur leur caractérisation dans une chambre annulaire de section,normale à son axe de révolution, constante ou linéairement croissante. Le principe de fonctionnement repose sur l’injection continue de gaz frais devant le front de détonation pour renouveler la couche réactive et entretenir sa propagation. Ce travail trouve son application dans le développement de systèmes propulsifs utilisant la détonation rotative comme mode de combustion (Rotating Detonation Engine, RDE). Nous avons conçu et réalisé un banc expérimental dont l’élément principal est une chambre annulaire de diamètre intérieur 50 mm, de longueur 90 mm et d’épaisseur 5 ou 10 mm. Elle peut être équipée de noyaux cylindrique ou conique, de longueurs comprises entre 12 mm et 90mm et, pour les cônes, de demi-angles au sommet compris entre 0± et 14.6±. Elle est alimentée par des injections séparées de carburant, l’éthylène, et d’oxydant, formé ici par un mélange d’oxygène et d’azote. Plusieurs concentrations d’azote ont été considérées de manière à étudier plusieurs détonabilités de mélange. La caractérisation des régimes de détonation, de leurs célérités et de leurs pressions, est fondée sur l’analyse de signaux de capteurs de pression dynamiques et sur des visualisations par caméras ultrarapides. Nos résultats expérimentaux détaillent la phase d’amorçage, les modes de combustion et leur stabilité. L’étude paramétrique, réalisée pour plusieurs détonabilités, débits massiques et géométries internes de la chambre, met en évidence que, si les deux premiers paramètres n’ont pas d’effet notable sur les célérités et les pressions des modes de détonation,la géométrie interne de la chambre joue, elle, un rôle majeur dans l’amélioration de ces caractéristiques, en particulier la diminution de la longueur du noyau et l’augmentation de sa conicité (de son demi-angle au sommet). Nous avons réalisé une étude numérique afin d’expliquer les déficits mesurés de célérité et de pression. Elle met en avant la dégradation des propriétés théoriques de détonation résultant de la dilution et du réchauffement des réactifs par les produits de détonation. Nous proposons également un calcul du rendement thermodynamique qui, à la différence de modélisations antérieures, prend en compte la structure d’une détonation rotative. Nous décrivons aussi un calcul de hauteur de front de détonation pour les modes et géométries de chambre considérés dans cette thèse. Notre étude démontre ainsi l’intérêt de futures recherches sur la géométrie interne des chambres annulaires à détonation rotative et sur la prise en compte des phénomènes à l’origine des pertes d’efficacité.
Fichier principal
Vignette du fichier
2018ESMA0002_hansmetzger.pdf (31.45 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)
Loading...

Dates and versions

tel-01834965 , version 1 (11-07-2018)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01834965 , version 1

Cite

Sylvain Hansmetzger. Etude des modes de rotation continue d'une détonation dans une chambre annulaire de section constante ou croissante. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2018. Français. ⟨NNT : 2018ESMA0002⟩. ⟨tel-01834965⟩
249 View
101 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More