Simulation and analysis of the shape, performance and stability of flames in a two-stage lean-burn aeronautical combustor - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Simulation and analysis of the shape, performance and stability of flames in a two-stage lean-burn aeronautical combustor

Simulation et analyse de la forme, performance et stabilité des flammes dans un brûleur aéronautique à deux étages en régime de combustion pauvre

Résumé

The increasing number of flights and climate change impose a need to reduce aircraft engines pollutant emissions. One way to achieve this is through Lean Premixed Prevaporised (LPP) combustors, which produce low temperatures to avoid pollutant emissions. However, they are prone to unstable behaviour, such as thermoacoustic instabilities, flashback and lean blow-off. This work analyses staged fuel injection, a technique to improve the stability of lean burners where the flame is adapted by changing the amount of fuel that goes through different injection stages (i.e. the staging factor). We study the two-stage liquid-fuelled BIMER combustor: its pilot stage uses a pressure-swirl injector to stabilise the flame by creating a fuel-rich zone, while its multipoint stage enables the LPP regime through a multipoint injection.The previous experimental and numerical works found that the burner can stabilise three different flame shapes, the transition between them triggered by a change in the staging factor. However, the phenomena controlling these transitions were not fully understood. The aim of this PhD is thus to investigate further these flame archetypes and the transitions between them by performing Large Eddy Simulations of the experiments of Renaud (2015).Compared to Cheneau (2019), the numerical setup has been improved, using a Lagrangian description for the liquid phase and a finer mesh in the flame region. These improvements result in a good agreement with experiments regarding droplet size distribution and velocity in either non-reacting or reacting conditions.Then, the ignition of the chamber was studied. It has been shown that all flame archetypes can be retrieved by selecting the appropriate operating conditions and ignition location. The propagation mechanisms have been investigated, highlighting the importance of flow interaction with acoustic waves for flame stabilisation.The resulting stabilised flame archetypes were studied, giving the first focus to aerodynamics. The M and Tulip flames exhibit Bubble Vortex Breakdown (BVB) mode, while the V flame shows a Conic Vortex Breakdown (CVB) mode. The aerodynamics strongly impacts the flame response to fuel staging: The V flame responds ideally, changing from a stable diffusion-spray flame at alpha = 100% to a completely premixed regime at alpha = 0%. In opposition, the BVB mode cancels the staging factor benefits. The M and Tulip flames do not change their structures, keeping a premixed and a diffusion regime, respectively, regardless of the staging factor value.Finally, the transitions between the three flame shapes were studied. The Tulip-to-V transition is triggered by an increase of equivalence ratio, which increases temperature and pressure inside the Central Recirculation Zone bubble, forcing the BVB mode to transition to a CVB mode and the flame shape to change. We then propose a stability criterion for the BVB mode. The V-to-M transition results from a combustion instability triggered by changing the staging factor to alpha =0%, forcing the CVB mode to transition back to the BVB mode through the ISL vortices and changing the flame shape. The M-to-Tulip transition is also a consequence of combustion instability, causing the M flame leading edge to periodically flashback, attaching to the pilot spray when the staging factor is increased to alpha ~ 20% and transitioning to a Tulip flame. The thermal behaviour of the chamber is essential for this transition to occur.This work shed light on the intrinsic relationship between the vortex breakdown mode and the flame shape, and how they define the system stability. It concludes that a V flame and CVB mode are optimal to fully benefit from the fuel staging strategy, allowing the flame behaviour to be adapted depending on the operational requirements.
Le nombre croissant de vols et le changement climatique imposent de réduire les émissions polluantes des moteurs aéronautiques. L’utilisation de brûleurs de type Lean Premixed Prevaporised (LPP) peut permettre d’atteindre cet objectif, en raison de faibles température et donc de faibles émissions polluantes. Cependant, ces brûleurs peuvent présenter des instabilités de combustion, des remontées de flamme ou encore de l’extinction pauvre. Cette thèse analyse l’utilisation de l’injection étagée, une technique pour améliorer la stabilité de ces brûleurs, où la flamme est adaptée avec le changement de la quantité de carburant injecté dans les différents étages. Nous étudions le brûleur à deux étages BIMER : son étage pilote utilise un injecteur pressurisé pour stabiliser la flamme, et son étage multipoint possédant plusieurs injecteurs est dédié au régime LPP.Les études précédentes ont montré qu’il est possible de stabiliser trois types de flamme dans ce brûleur, les transitions entre elles étant déclenchées par un changement du facteur d’étagement. En revanche, les phénomènes contrôlant ces transitions n’ont pas été totalement compris. L’objectif de cette thèse est d’investiguer ces trois flammes et leurs transitions en réalisant des Simulations aux Grandes Échelles des expériences de Renaud (2015).Comparé à Cheneau (2019), le setup numérique a été amélioré en utilisant une description Lagrangienne pour la phase liquide et un maillage plus fin dans la région de la flamme. Ces améliorations conduisent à un bon accord avec les expériences, autant en non-réactif qu’en réactif.Ensuite, l’allumage de la chambre a été étudié. Nous avons montré que les trois formes de flamme peuvent être retrouvé en choisissant les conditions d’opération et la localisation de l’étincelle appropriés. Les mécanismes de propagation ont été investigués et l’importance de l’interaction de l’écoulement avec l’acoustique pour la stabilisation de la flamme a été constatée.Les flammes résultantes ont été étudiées, en portant notamment le focus sur leur aérodynamique. Les flammes M et Tulipe montrent un éclatement tourbillonnaire du type bulle (BVB), alors que la flamme V présente un éclatement tourbillonnaire de type conique (CVB). L’aérodynamique impacte fortement la réponse de la flamme à l’étagement : la flamme V répond idéalement en changeant d’une flamme de diffusion pour une injection purement pilote à une flamme complètement prémélangée pour une injection purement multipoint. Les flammes M et Tulipe ne changent pas quant à elles leurs structures, gardant un régime de prémélange et de diffusion, respectivement, indépendamment de la valeur du facteur d’étagement.Finalement, les transitions entres les trois flammes ont été étudiées. La transition Tulipe-V est déclenchée par une augmentation de la richesse, qui augmente la température et la pression dans la bulle de recirculation centrale et force le mode BVB à transiter vers un mode CVB, ce qui change la forme de la flamme. Nous proposons par la suite un critère de stabilité du mode BVB. La transition V- M résulte d’une instabilité de combustion déclenchée quand on coupe l’injection pilote, ce qui force le mode CVB à transiter à nouveau au mode BVB, changeant ainsi la forme de flamme. La transition M-Tulipe est aussi une conséquence d’une instabilité de combustion, qui cause une remontée de la branche centrale de la flamme et son attachement au spray pilote quand la portion de carburant injecté dans l’étage pilote est suffisante. Le comportement thermique de la chambre joue aussi un rôle essentiel pour que cette transition ait lieu.Cette thèse met en exergue la relation entre le mode d’éclatement tourbillonnaire et la forme de flamme et comment ils définissent la stabilité du système. Nous concluons que la flamme V et le mode CVB sont optimaux pour profiter complètement des avantages de l’injection étagée, permettant le comportement de la flamme d’être adapté en fonction des exigences de l’opération
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2021UPAST100_CUNHA_CALDEIRA_MESQUITA_archivage.pdf (338.52 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04505485 , version 1 (15-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04505485 , version 1

Citer

Léo Cunha Caldeira Mesquita. Simulation and analysis of the shape, performance and stability of flames in a two-stage lean-burn aeronautical combustor. Chemical and Process Engineering. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST100⟩. ⟨tel-04505485⟩
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