Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Experimental study of spray, flame and turbulence interactions processes under high-altitude re-ignition conditions

Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude

Abstract

The development and improvement of aircraft propulsion systems present a number of technological challenges to meet increasingly restrictive standards. Today, many studies focus on reducing fuel consumption and pollutant emissions. Although technologies are improving in this area, it is still necessary to guarantee and increase aircraft operability. Ignition and re-ignition in aero-engines are some of the major features that must be guaranteed and well-controlled in new aero-engine combustor designs. Particular attention must be paid to in-flight re-ignition in aircraft, due to the low air flows, the low-pressures and the low-temperatures experienced at the combustion chamber inlet. These conditions have a major impact on the quality of fuel atomization and hence its evaporation, which could result in combustion instabilities or flame extinction during the various ignition phases. The aim of this thesis is to characterize the impact of thermodynamic conditions and various geometric parameters of the injection system on the efficiency and stabilization of the combustion during the power rise (pull-away) that takes place after in-flight re-ignition of the combustion chamber. A new test rig has been designed, developed and validated to study cold depressurized combustion, the HARTur test rig. It reproduces the pressure and temperature conditions encountered after re-ignition at an altitude of 25000 ft. This test bench was utilised to characterize the pull-away performance of 5 RQL injection systems, focusing on four conditions that lie on the power rise curve. The development of a temperature measurement technique at the outlet of the combustion chamber enabled measurements of combustion efficiency over a wide range of fuel-to-air ratios, spanning all the way down to the lean blowout limits. The use of optical diagnostics has contributed to our understanding of the origin of the efficiency decline and the range of the flame stability. Spray morphology and instabilities were studied using high-speed laser tomography. Kerosene fluorescence imaging (PLIF-Kero) was used to visualize areas of vapor fuel presence. OH fluorescence imaging (PLIF-OH) was utilised to investigate the impact of the deterioration in atomization quality and evaporation at low pressure and low temperature on the flame structure. Finally, particle imaging velocimetry (PIV) was employed to observe changes in flow geometry, highlighting the importance of the internal recirculation zone in flame stabilization. In parallel with this work on aeronautical injectors, a study was carried out on the measurement methodology of laminar burning velocity at low pressure. It governs the flame positioning and stabilization, and is essential for validating reaction mechanisms. At present, there are very few experimental data sets available at sub-atmospheric pressures. The presented work highlights the measurement biases that can affect the interpretation of previous results. An alternative measurement method has been proposed, along with the creation of a database of the laminar burning velocities of low-pressure stoichiometric, lean and rich methane/air mixtures, and low-pressure stoichiometric decane/air mixtures. This work represents a new step forward in our understanding of the multi-physical phenomena present in the combustion chamber during the pull-away phase of high-altitude re-ignition, and demonstrates their impact on extinction limits and combustion efficiencies. It also provides the databases which can be used for the development and validation of numerical models.
Le développement et l'amélioration des systèmes de propulsion des aéronefs présentent plusieurs défis technologiques pour satisfaire à des normes de plus en plus restrictives. De nos jours, de nombreuses études se concentrent sur la réduction de la consommation et des émissions polluantes. Bien que les technologies s'améliorent dans ce domaine, il est toujours nécessaire de garantir et d'augmenter l'opérabilité de l'avion. L'allumage et le rallumage dans les moteurs aéronautiques sont des caractéristiques majeures qui doivent être assurées et bien contrôlées dans les nouvelles conceptions de chambres de combustion aéronautiques. Le rallumage en vol des avions doit faire l'objet d'une attention particulière, en raison des faibles débits d’air utilisé et des conditions de basse pression et basse température en entrée de chambre de combustion. Ces conditions ont un impact important sur la qualité de l’atomisation et donc de l'évaporation du carburant, pouvant conduire à des instabilités de combustion ou à des extinctions de flamme lors des différentes phases d’allumage. Cette thèse vise à caractériser l'impact des conditions thermodynamiques et de différents paramètres géométriques du système d'injection, sur l'efficacité et la stabilisation de la combustion lors de la remontée en puissance (enroulement ou pull-away) qui prend place après le rallumage en vol de la chambre de combustion. Un nouveau banc d'essai a ainsi été conçu, développé et mit au point pour étudier la combustion déprimée froide : il s'agit du banc HARTur. Il permet de reproduire les conditions de pression et température rencontrées après un rallumage à une altitude de 25000 ft. Ce banc d'essai a permis de caractériser les performances en enroulement de 5 systèmes d'injection RQL, en se focalisant sur quatre conditions qui se trouvent sur la courbe de montée en puissance. Le développement d'une technique de mesure de température en sortie de chambre de combustion a permis de mesurer le rendement de combustion sur une large plage de richesse, jusqu'aux limites d'extinction pauvre. L'utilisation de diagnostics optiques a contribué à la compréhension de l'origine des chutes de rendement et de la plage de stabilité de la flamme. La morphologie du spray et ses instabilités ont été étudiés par tomographie laser haute cadence. L'imagerie par fluorescence du kérosène (PLIF-Kero) a permis de visualiser les zones de carburant en phase gazeuse. L'impact de la détérioration de la qualité de l'atomisation et de l'évaporation à basse pression et basse température sur la structure de flamme a été caractérisée par imagerie de fluorescence OH (PLIF-OH). Enfin, la vélocimétrie par imagerie de particule (PIV) a permis d'observer les changements de géométrie d'écoulement, en particulier sur l'importance de la zone de recirculation interne dans la stabilisation de la flamme. En parallèle de ces travaux sur les injecteurs aéronautiques, une étude a été menée sur la mesure de la vitesse laminaire de flamme à basse pression. Pour des pressions sub-atmosphériques, il existe très peu de donnée expérimentale de cette grandeur qui régit le positionnement et la stabilisation de la flamme, et qui est nécessaire lors de la validation de mécanismes réactionnels. Le travail effectué a permis de mettre en avant les biais de mesure qui peuvent affecter les résultats. Une méthode alternative a été proposée, et une base de données a été constituée pour les vitesses de flamme de mélanges basse pression méthane/air stœchiométrique, pauvre et riche, et décane/air stœchiométrique. L'ensemble de ces travaux offre donc une avancée sur la compréhension des phénomène multi-physiques présents dans la chambre de combustion lors de la phase d'enroulement du rallumage en altitude, et leur impact sur les limites d'extinction et les rendements de combustion. Il permet également la création de bases de données pour le développement et la validation de modèles numériques.
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tel-04444264 , version 1 (07-02-2024)

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  • HAL Id : tel-04444264 , version 1

Cite

Marie-Eve Clavel. Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude. Milieux fluides et réactifs. Normandie Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023NORMIR28⟩. ⟨tel-04444264⟩
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