Projet ANR-13-IS09-0004 – DRACO : Contrôle d’instabilités de combustion thermo-acoustiques par décharges plasma
Programme : Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 9 - Energie, Sciences de l’Ingénierie, Procédés et Matériaux (Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Deanna LACOSTE (Laboratoire d'Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion UPR288CNRS / ECP)
Partenaires : Berlin Institute of Technology; Laboratoire d'Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
Montant : 199992.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Contrôle d’instabilités de combustion thermo-acoustiques par décharges plasmaEvaluation et caractérisation des plasmas nanosecondes hors-équilibres utilisés pour le contrôle actif des instabilités de combustion thermo-acoustiques, telles que celles rencontrées dans les moteurs d’avions et les turbines à gaz.
Compréhension fondamentale du couplage entre la dynamique de combustion et les décharges plasmas hors-équilibreLes instabilités de combustion, également appelées instabilités thermo-acoustiques, peuvent générer des pics de pression si intenses qu’ils sont susceptibles d’endommager, voire de détruire, les chambres de combustion de nombreux systèmes industriels. Il s’agit d’un problème majeur pour la conception des futurs moteurs d’avion ou des prochaines générations de turbines à gaz utilisées dans les centrales thermiques. Une approche prometteuse pour s’affranchir de ce problème est basée sur le contrôle actif de ces systèmes dynamiques. Des études antérieures ont démontré le potentiel de nombreuses méthodes telles que le forçage acoustique ou la modulation de l’injection de carburant. Cependant, l’application de telles méthodes de contrôle à des moteurs réels reste limitée, principalement à cause des technologies employées et des performances obtenues.En 2012, les deux partenaires impliqués dans le projet DRACO, le laboratoire EM2C (France) et TU Berlin (Allemagne), ont testé avec succès l’utilisation de décharges plasma hors-équilibre pour contrôler la dynamique de combustion. Cette première preuve de faisabilité a montré que les décharges plasma nanosecondes répétitives pulsées (NRP) pouvaient être utilisées efficacement pour contrôler les instabilités de flamme, sans les inconvénients des dispositifs traditionnellement utilisés. Cependant, alors que les premiers résultats étaient très prometteurs, le processus de couplage entre le plasma et la flamme reste mal compris. Les objectifs principaux du projet DRACO sont (1) d’augmenter la compréhension fondamentale des interactions plasma / acoustique et plasma / flamme, dans un contexte adapté au contrôle de dynamique de combustion, et (2) de développer des stratégies de contrôle actif pour la réduction des instabilités de combustions en utilisant des décharges plasma hors-équilibre.
Etudes fondamentales et par simulations numérique des interactions plasma / acoustique et plasma / flammeDans un premier temps, la méthodologie suivie a été d’étudier expérimentalement les interactions plasma / acoustique et plasma / flamme, à pression atmosphérique, à l’aide de dispositifs spécifiques. Les décharges plasma hors-équilibre ont été obtenues à l’aide d’impulsions haute-tension ultra-brèves (nanoseconde), répétées à haute cadence de répétition (typiquement la dizaine de kilohertz). Le couplage plasma / acoustique a été étudié dans un tube de Rijke et dans un écoulement tourbillonnant, plus représentatifs des applications industrielles. La réponse de la flamme à l’actuation par les décharges plasma a été étudiée au travers de la combustion en régime pauvre de mélange gazeux méthane / air.Des diagnostics optiques avancés tels que la fluorescence induite par laser (LIF), la spectroscopie d’émission (OES) ou la thermométrie par spectroscopie Raman (CARS), ont été utilisés pour comprendre les différents couplages.Enfin, à l’aide de simulations numériques de l’interaction plasma / flamme, un modèle empirique de l’effet des décharges NRP sur la dynamique de combustion des flammes pauvres pré-mélangées, a été étudié.
Résumé de la soumission : Les instabilités de combustion sont un problème majeur pour la conception des nouvelles générations de chambres de combustion aéronautiques et des turbines à gaz pour la production d’énergie. Un moyen de supprimer les fortes oscillations de pression associées à ces instabilités thermoacoustiques est de contrôler la dynamique du système. Des travaux antérieurs ont montré l’efficacité de différentes méthodes comme par exemple le forçage acoustique ou l’injection de carburant. Toutefois, ces méthodes sont peu utilisées dans des moteurs de taille réelle, principalement pour des raisons de performances limitées et de robustesse des actionneurs. En 2012, les deux partenaires impliqués dans le projet DRACO, à savoir EM2C (France) et TUB (Allemagne) ont montré expérimentalement que des décharges plasmas hors-équilibre pouvaient contrôler la dynamique de flamme [Lacoste2013, Moeck2013]. Cette étude de faisabilité a démontré que les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) pouvaient être utilisées comme actionneur pour le contrôle actif des instabilités de combustion, sans les défauts des actionneurs classiques, tels que les haut-parleurs ou les valves d’injection de carburant. Toutefois, même si les résultats de cette étude préliminaire ont été très encourageants, ils ont également montré que les mécanismes physico-chimiques de couplage entre le plasma et la dynamique de flamme sont incompris.Dans ce contexte, le projet DRACO va se concentrer sur (1) l’étude fondamentale du couplage de la dynamique de combustion et des décharges plasmas hors équilibre, (2) l’évaluation expérimentale du potentiel des décharges plasmas NRP pour le contrôle actif des instabilités de combustion. Les expériences seront réalisées en France et en Allemagne afin de bénéficier de l’expérience complémentaire des deux partenaires. Dans un premier temps, des études fondamentales sur les interactions plasma/acoustique et plasma/flamme seront réalisées, à pression atmosphérique, dans des réacteurs dédiés. En s’appuyant sur des simulations numériques de l’interaction plasma/flamme, un modèle phénoménologique de l’effet des décharges NRP sur la dynamique des flammes pauvres pré-mélangées sera développé. Dans un deuxième temps, l’influence des décharges NRP sur la dynamique des flammes swirlées sera étudiée. L’effet de l’hydrodynamique générée par le plasma et son impact sur la combustion sera particulièrement examiné. Enfin, un actuateur plasma sera testé sur un banc de combustion swirlée de 100 kW. Le contrôle actif de flammes instables de prémélange gaz naturel / air par plasma sera étudié avec l’aide de systèmes de contrôle optimisés. Ce travail permettra d’évaluer et de quantifier le potentiel des décharges plasmas NRP. A chaque étape du projet, des diagnostics optiques avancés seront utilisés, en s’appuyant sur le savoir-faire des deux partenaires.En plus des objectifs scientifiques ambitieux, le projet DRACO pourra avoir de larges retombées scientifiques et techniques. En particulier, une meilleure compréhension des phénomènes fondamentaux permettant le contrôle des instabilités de combustion par décharges plasma hors-équilibre aidera le développement de la recherche en combustion assistée par plasma, en France et en Allemagne. Potentiellement, ce projet pourrait avoir un grand nombre d’applications variées comme le contrôle de la dynamique de flamme dans des réacteurs à haute pression, la réduction de bruit de combustion ou bien la réduction de la consommation de carburant et des émissions polluantes. En faisant des réunions régulières, en favorisant la participation des étudiants et des chercheurs du projet à des conférences scientifiques françaises, allemandes et internationales et en publiant les résultats dans des journaux scientifiques reconnus, les résultats obtenus seront rapidement présentés à la communauté scientifique internationale.
Résultats : Interactions plasma /acoustique :
Tout d’abord, il a été montré que le forçage acoustique de l’écoulement avait un très fort impact sur le régime des décharges plasma obtenu. A basse fréquence, un forçage acoustique de l’air promeut le régime “spark” de ces décharges, alors qu’un écoulement continu ne permettait d’obtenir que le régime “couronne”. L’effet du forçage acoustique sur le temps de résidence de l’air, dans la zone inter-électrode, peut expliquer ce résultat. En effet, le forçage acoustique ralentit et accélère l’écoulement. Si pendant un ralentissement, un volume d’air reste suffisamment longtemps entre les électrodes, il subira plus d’impulsions haute tension, permettant la transition entre les régimes «couronne« et «spark«.
Par ailleurs, les décharges NRP peuvent être utilisées comme une source acoustique. Les propriétés acoustiques de ces plasmas ont été étudiées dans un tube de Rijke. Les résultats obtenus montrent que les décharges NRP peuvent être utilisées comme une source acoustique basse fréquence, dépendant de la distance inter-électrode, de la fréquence de répétition des impulsions et du taux d’application des décharges. Les amplitudes acoustiques observées sont en accord avec celles obtenues par une étude théorique basée sur le chauffage instationnaire du gaz. 
Interactions plasma /flamme :
Pour les instabilités de combustion, un paramètre clé est la réponse de la flamme à des perturbations acoustiques de l’écoulement. Pour cette raison, les deux types de forçage, acoustique et par plasma, ont été comparés. L’effet des décharges NRP et des perturbations de l’écoulement sur la dynamique de flamme sont très similaires. Afin d’évaluer l’impact thermique des décharges NRP, des mesures de température par CARS ont été réalisées (voir illustration). En comparant ces résultats avec des simulations numériques, un modèle empirique de l’actuation par plasma, comme source d’augmentation locale de la vitesse de combustion, a été proposé.
Perspectives : La prochaine étape de ce projet sera dédiée à l’étude de l’influence des décharges plasma NRP sur la dynamique d’une flamme d’écoulement gazeux pré-mélangé tourbillonnant. En particulier, l’effet de l’hydrodynamique générée par le plasma et son impact sur la combustion seront caractérisés. Enfin, un actuateur plasma sera implanté dans un brûleur expérimental d’une puissance thermique de 100 kW, alimenté au gaz naturel et à l’air. Le contrôle actif des instabilités de combustion, utilisant des schémas de contrôle appropriés, sera alors étudié. A chacune de ces nouvelles étapes du projet, des diagnostics optiques appropriés seront utilisés. 
Le projet DRACO ne se limite pas à ces objectifs fondamentaux. En particulier, améliorer la compréhension du contrôle d’instabilités de combustion par plasma pourra aider au développement de la recherche en combustion assistée par plasma, en France et en Allemagne. Ces études pourront avoir un impact important pour de nombreuses applications telles que le contrôle des flammes dans des écoulements très rapides, l’amélioration des réacteurs à haute pression, la réduction du bruit de combustion, de la consommation de carburant et des émissions polluantes.
Publications et brevets : Publications
[1] D.A. Lacoste, J.P. Moeck, Effect of nanosecond glow discharges on a lean premixed V-flame, IEEE Trans. Plasma Sci. 42(12), 4040-4041, 2014.
[2] F. Tholin, A. Bourdon, Influence of the external electrical circuit on the regimes of a nanosecond repetitively pulsed discharge in air at atmospheric pressure, Plasma Phys. Control. Fusion 57, 014016 (12pp), 2015.
Conférences et séminaires
[3] J.P. Moeck, D.A. Lacoste, Spectroscopic analysis of the response of a laminar premixed flame to excitation by nanosecond glow discharges, 35th International Symposium on Combustion, San Fransisco, CA, USA, August 3-8, 2014.
[4] D.A. Lacoste, S.A. Heitz, J.P. Moeck, Temperature measurement of plasma-assisted flames: comparison between optical emission spectroscopy and 2-color laser induced fluorescence techniques, 7th European Combustion Meeting, Budapest, Hungary, March 30 – April 2, 2015.
[5] S. A. Heitz, J.P. Moeck, T. Schuller, D.A. Lacoste, Experimental investigation of the effect of inter-electrode air flow on the corona-spark transition for nanosecond repetitively pulsed plasma discharges, 5th ATW Fundamentals of Aerodynamic Flow and Combustion Control by Plasmas, Les Houches, France, April 12-17, 2015.
[6] O.B. Bölke, D.A. Lacoste, J.P. Moeck, Acoustic characterization of NRP discharges using multi-microphone-method (MMM), 5th ATW Fundamentals of Aerodynamic Flow and Combustion Control by Plasmas, Les Houches, France, April 12-17, 2015.