Spray and combustion dynamics in an aero jet engine gas turbine model combustor - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Spray and combustion dynamics in an aero jet engine gas turbine model combustor

Dynamique du spray et de la combustion dans une chambre de combustion de modèle de turbine à gaz de moteur à réaction

Titouan Moriniere
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1382961
  • IdRef : 277657490

Résumé

Faced with more severe legislative constraints on polluting emissions, the architectures of the combustion chambers of aeronautical engines are more vulnerable to dynamic issues. Among them, combustion instabilities (CI) constitute a major issue. Progress must therefore be made to better prevent them. They first require identifying the precursor mechanisms that lead to their triggering. While many efforts have been devoted to their modeling for gaseous flames, similar investigations for two-phase flames remain marginal. In addition, the detection of CI precursor events with online monitoring would increase the engine lifespan and space preventive maintenances, and more generally the safety of aircraft engines. This thesis proposes to pursue these two objectives by studying the interactions between the acoustic field and the spray dynamics on the one hand, and by developing alternative techniques for the online monitoring of CIs on the other hand. Called TALISMAN, a new swirl stabilized spray burner has been designed and built for this purpose. In the first part of the manuscript, the acoustic-spray interactions are examined. It is first shown that the velocity response of an isolated droplet to acoustic disturbances corresponds to a first-order low-pass filter with a cut-off frequency proportional to the Stokes number. The acoustic response of a perfectly monodisperse spray in a uniform flow gives rise to density waves of the number of droplets. Expressions are derived for these density waves using an Euler-Euler formalism. They feature two contributions with acoustic waves interfering with waves convected by the mean flow. The influence of particle velocity dispersion on these number density waves is also studied by analytical and numerical means. It is shown that a dispersion of the velocity of the injected particles induces a set of characteristic waves which result in a modification of the propagation and dispersion of these waves. Finally, the response of a hollow cone spray to acoustic disturbances is studied numerically and experimentally. The gas and liquid phase velocity profiles obtained in high fidelity Euler-Lagrange simulations are compared to phase Doppler laser anemometry measurements. Results agree very closely at steady state. However, while the air velocity profiles are correctly reproduced in a pulsating flow, the particle velocity profiles show large differences with experiments due to the lack of dynamic behavior of the numerical model for spray injection. The second part of the manuscript investigates CI in the TALISMAN setup. A thermo-acoustic analysis is conducted for a configuration exhibiting large scale oscillations with a reduced order model of the burner acoustic response. The system dynamics is analyzed with an acoustic network and a flame describing functions (FDFs) measured experimentally. By considering that the OH* emission signal from the flame well reproduces heat release rate disturbances, the resulting low-frequency limit of the FDF cannot be reproduced accurately for a spray flame. It is shown that fluctuations of the equivalence ratio need to be considered and modeled. Integrating them into the relationship between the OH* signal and the heat release rate results into a better prediction of the low-frequency limit of the flame response. Coupling the acoustic model and the FDF, it successfully predicts the CI observed in the experiments. Finally, online monitoring of CI precursors is explored by considering the acoustic flux at the inlet of the combustor as an indicator of impending instabilities. It is successfully applied to the TALISMAN setup and shows better performance than other indicators commonly used without requiring measurements inside the combustion chamber. Finally, application of Deep-Learning to predict CI is discussed.
Face à des contraintes législatives plus sévères sur les émissions polluantes, les chambres de combustion aéronautiques sont plus vulnérables aux instabilités de combustion (IC). Des progrès doivent donc être réalisés pour mieux les prévenir. Elles nécessitent d'abord d'identifier les mécanismes qui conduisent à leur déclenchement. Bien que de nombreux efforts aient été consacrés à leur modélisation pour des flammes gazeuses, des études similaires pour les flammes diphasiques restent marginales. De plus, la détection des événements précurseurs des IC avec surveillance en ligne augmenterait la durée de vie des moteurs et espacerait les maintenances préventives. Cette thèse propose de poursuivre ces deux objectifs en étudiant les interactions entre le champ acoustique et la dynamique de spray et en développant des techniques alternatives pour la surveillance en ligne des IC. Appelé TALISMAN, un nouveau brûleur avec injection liquide à cône creux dans un écoulement d'air tourbillonné a été conçu et construit à cet effet. Dans la première partie du manuscrit, les interactions acoustique-spray sont examinées. Il est montré que la réponse en vitesse d'une goutte isolée aux perturbations acoustiques correspond à un filtre passe-bas du premier ordre avec une fréquence de coupure proportionnelle au nombre de Stokes. La réponse acoustique d'un spray monodisperse dans un écoulement uniforme donne lieu à des ondes de densité de gouttes. Les expressions sont dérivées de ces ondes de densité en utilisant un formalisme Euler-Euler. Ces ondes sont le résultat d'ondes acoustiques interférant avec des ondes convectives. L'influence de la dispersion des vitesses des particules sur ces ondes de densité est également étudiée par des moyens analytiques et numériques. On montre qu'une dispersion de la vitesse des particules injectées induit un ensemble d'ondes caractéristiques qui entraînent une modification de la propagation de ces ondes. Enfin, la réponse d'un spray à cône creux à des perturbations acoustiques est étudiée numériquement et expérimentalement. Les profils de vitesse de la phase gazeuse et liquide obtenus dans les simulations Euler-Lagrange sont comparés aux mesures laser à effet Doppler. Les résultats concordent étroitement pour un écoulement stationnaire. Cependant, alors que les profils de vitesse de l'air sont correctement reproduits dans un écoulement pulsé, les profils de vitesse des particules montrent de grandes différences avec les expériences en raison de l'absence de comportement dynamique pour le modèle numérique du spray à cône creux. La deuxième partie du manuscrit étudie les IC dans le brûleur TALISMAN. Une analyse thermo-acoustique est effectuée pour une configuration présentant des IC avec un modèle d'ordre réduit de la réponse acoustique du brûleur. La dynamique du système est analysée avec un réseau acoustique et une fonction de description de flamme (FDF) mesurées expérimentalement. Si l'on considère que le signal d'émission OH* de la flamme reproduit les perturbations du taux de dégagement de chaleur, la limite de basse fréquence résultante de la FDF ne peut pas être reproduite avec précision pour une flamme diphasique. Il est démontré que les fluctuations de richesse doivent être prises en compte et modélisées. Leur intégration dans la relation entre le signal OH* et le taux de dégagement de chaleur permet de mieux prédire la limite basse fréquence de la FDF. En couplant le modèle acoustique et le FDF, il prédit avec succès les IC observés dans les expériences. Enfin, la surveillance en ligne des IC est explorée en considérant le flux acoustique à l'entrée de la chambre de combustion comme un indicateur d'instabilités imminentes. Il est appliqué avec succès pour le brûleur TALISMAN et montre de meilleures performances que d'autres indicateurs couramment utilisés. Enfin, l'application de l'apprentissage profond pour prédire des IC est discutée.
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2023TOU30325.pdf (7.96 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04576506 , version 1 (15-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04576506 , version 1

Citer

Titouan Moriniere. Spray and combustion dynamics in an aero jet engine gas turbine model combustor. Thermics [physics.class-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. English. ⟨NNT : 2023TOU30325⟩. ⟨tel-04576506⟩
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