Mechanisms of combustion dynamics of swirl-stabilised spray flames in a standing transverse acoustic field
Mécanismes de dynamique de combustion pour des flammes de spray stabilisées par écoulement swirlé dans un champ acoustique transverse stationnaire
Résumé
The raising awareness of environmental issues induced by human activities is leading to the development of new combustion technologies that emit fewer pollutants and consume less energy. To ensure that combustion dynamics do not cause safety problems or affect the proper functioning of energy systems, it is important to understand how combustion instabilities can develop in order to better predict them. Due to the phenomena involved in these instabilities, they are mainly encountered in aircraft engines.In these systems, combustion is usually coupled with azimuthal acoustic modes of the combustion chamber. This research aims to contribute to the understanding of the physical mechanisms coupling combustion and acoustics in such configurations. For this purpose, a modular linear combustor of three lean swirl-stabilised spray flames, named TACC-Spray, is equipped with an acoustic forcing system, controlling the amplitude and the frequency of the standing transverse acoustic field generated in the chamber. This experimental setup located at CORIA, reproducing an unfolded sector of the laboratory-scale annular combustor MICCA-Spray located at EM2C laboratory, includes swirling aircraft-type air injectors. The combination of high-speed measurements of the acoustic pressure oscillation, P', flame chemiluminescence emission of CH* or OH* radicals, and laser diagnostics (high-speed laser tomography, Laser Doppler Anemometry and Phase Doppler Anemometry) reveals physical mechanisms coupling combustion and acoustics through the investigation of flame, spray and airflow dynamics.We study the influence on the flame response to acoustics of the following parameters: acoustic amplitude, flame thermal power, fuel, location of the flame in the acoustic field. One important result is that the flame describing function (FDF) based on P' fully characterise combustion dynamics during transverse acoustic forcing performed downstream of the injectors at several locations in the standing transverse acoustic field. At an acoustic pressure antinode, space-time waves of the droplet number as well as their properties lead, after evaporation and mixing with the air during their convective propagation, to a wave of flame chemiluminescence emission intensity. Increasing the thermal power, at a fixed equivalence ratio, induces a significant increase in the amplitude of the global flame intensity oscillation, I', as well as a modification of the phase shift with P', leading to the transition from a stable combustion regime to a potentially unstable regime. The amplitude of I' has a linear behaviour at low forcing amplitudes, then evolves towards a saturation regime at higher amplitudes, reflecting the presence of nonlinear phenomena at sufficiently high acoustic amplitudes. A deeper analysis of the saturation phenomenon indicates that it can be induced not only by the structuring of the gas flow by acoustics, but also by the space-time organisation of the fuel spray, possibly leading to severe mixing inhomogeneities. A study with different liquid fuels indicates that the quality of the atomisation and evaporation processes contributes to the flame dynamics: in particular, a higher proportion of small fuel droplets in the spray appears to be a factor favouring an intense flame response. At a intensity antinode, acoustic pressure effects remain dominant, while in the velocity antinode, lateral velocity effects impose a lateral displacement of the flame, facilitating its blow-out. The latter, initially observed during high-amplitude instabilities in MICCA-Spray, is reproduced in TACC-Spray for several experimental conditions, validating the development of a theoretical model initiated during previous works at the EM2C laboratory and highlighting blow-out mechanisms.
De nouvelles technologies de combustion plus efficaces et moins polluantes sont développées pour satisfaire les objectifs de protection de l'environnement du secteur de l'énergie. Pour s'assurer que la dynamique de combustion ne cause pas de problèmes de sécurité ni n'affecte le bon fonctionnement des systèmes énergétiques, il est primordial de comprendre comment les instabilités de combustion peuvent s'y développer, afin de mieux les prédire. De par les phénomènes impliqués, ces instabilités se rencontrent notamment dans les chambres de combustion aéronautiques. Dans ces systèmes, la combustion est généralement couplée avec un mode acoustique azimutal de la chambre. Ce travail de recherche a pour but de contribuer à la compréhension des mécanismes physiques couplant la combustion et l'acoustique dans de telles configurations. Pour cela, une chambre de combustion modulable, TACC-Spray, dans laquelle sont situées trois flammes pauvres de spray stabilisées par swirl, est équipée d'un système de forçage acoustique contrôlant l'amplitude et la fréquence d'un champ acoustique transverse stationnaire généré dans la chambre. Ce dispositif expérimental situé au CORIA, reproduisant un secteur développé de la chambre de combustion annulaire MICCA-Spray située au laboratoire EM2C, comprend des injecteurs d'air swirlé de type aéronautique. La combinaison de mesures à haute cadence de l'oscillation de pression acoustique, P', de l'émission chimiluminescente des radicaux CH* ou OH* des flammes, ainsi que de diagnostics laser (tomographie haute cadence, vélocimétrie laser Doppler et vélocimétrie phase Doppler) permet de mettre en évidence des mécanismes de couplage grâce à l'examen de la dynamique de flamme, du spray et de l'écoulement d'air.On étudie l'influence des paramètres suivants sur la réponse de flamme à l'acoustique : amplitude acoustique, puissance thermique de flamme, carburant, position des flammes dans le champ acoustique. Il est montré que la fonction descriptive de la flamme (FDF) basée sur P' caractérise pleinement la dynamique de flamme lors d'un forçage acoustique transverse effectué en aval des injecteurs. Au ventre de pression acoustique, des ondes spatio-temporelles du nombre de gouttes ainsi que de leurs propriétés conduisent, après évaporation et mélange avec l'air durant leur propagation convective, à une onde d'émission chimiluminescente de la flamme. L'accroissement de la puissance thermique, à richesse fixée, induit une augmentation significative de l'amplitude d'oscillation de l'intensité globale de flamme, I', ainsi qu'une modification du déphasage avec P', conduisant à une transition d'un régime de combustion stable à un régime potentiellement instable. L'amplitude de I' croît linéairement à faible amplitude de forçage puis évolue vers un régime de saturation à plus forte amplitude, traduisant la présence de phénomènes non-linéaires à partir d'une amplitude acoustique suffisamment élevée. L'analyse du phénomène de saturation montre qu'il peut être induit par la structuration de l'écoulement gazeux par l'acoustique, mais aussi par l'organisation spatio-temporelle du spray, pouvant mener à de fortes inhomogénéités de mélange. L'utilisation de différents carburants liquides montre que la qualité des processus d'atomisation et d'évaporation joue un rôle dans la dynamique de flamme : en particulier, une proportion élevée de petites gouttes dans le spray favorise une réponse de flamme intense. Au ventre d'intensité, les effets de pression acoustique restent dominants tandis qu'au ventre de vitesse, les effets de vitesse latérale imposent un déplacement latéral de la flamme, facilitant son extinction. Celui-ci, initialement observé lors d'instabilités à haute amplitude dans MICCA-Spray, est reproduit dans TACC-Spray pour plusieurs conditions expérimentales, validant le développement d'un modèle théorique initié lors de travaux antérieurs au laboratoire EM2C et mettant en lumière les mécanismes d'extinction.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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