Projet ANR-11-BS09-0015 – DISCERN : Sources directe et indirect en combustion pour la mesure et la réduction du bruit
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'ingéniérie, matériaux, procédés, énergie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Sébastien DUCRUIX (CNRS DR Ile de France Secteur Ouest et Nord)
Partenaires : Société Civile CERFACS; Laboratoire d'Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion; Office national d'études et de recherches aérospatiales
Montant : 370000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Réduction du bruit provenant de la combustion pour les applications aéronautiquesCaractérisation des sources directes et indirectes en combustion pour la mesure et la réduction du bruit
Détermination des sources directes et indirectes en combustion pour la mesure et la réduction du bruit dans le domaine aéronautiqueLe projet DISCERN s’intéresse à la question critique des sources de bruit issues de la combustion. L’identification de ces sources par la simulation ou la modélisation reste problématique et il est toujours nécessaire aujourd’hui de tester et valider les nouveaux concepts à l’aide de mesures sur prototypes. La distinction entre le bruit directement émis par la flamme et sa contribution indirecte, liée à la présence d’hétérogénéités dans l’écoulement de gaz brûlés, est envisagée ici simultanément sur les plans expérimentaux, théoriques et numériques. Une configuration à l’échelle du laboratoire est conçue afin de reproduire les processus physiques majeurs rencontrés dans les chambres de combustion de turbines (turbines aéronautiques mais aussi à gaz pour la production d’électricité). Sur le plan numérique, deux stratégies de modélisation sont envisagées, correspondant à deux niveaux de fidélité très différents : la simulation aux grandes échelles (LES) d’une part, et la modélisation d’ordre réduit d’autre part (ROM). Un effort particulier est dirigé vers une analyse très fine de la dynamique de combustion afin de mieux déterminer les sources acoustiques dans l’environnement de la flamme.
Une étude des sources de bruit menée conjointement sur les plans de l’expérimentation, de la simulation numérique et de la modélisationLe banc expérimental est représentatif de situations pratiques associées aux moteurs de nouvelle génération. Ainsi, l’écoulement est mis en rotation (swirl) et la combustion est fortement pré-mélangée. De plus, la chambre de combustion est courte et équipée d’une tuyère adaptée à l’étude du bruit de combustion. Les conditions aux limites du système sont contrôlées. De nombreux capteurs et diagnostics sont disponibles de façon synchronisée, permettant une analyse poussée de la dynamiquede combustion et des gaz brûlés. La méthode de prédiction la plus précise dans ce contexte est la simulation aux grandes échelles (LES). La littérature montre que les fluctuations de pression à proximité des parois peuvent être correctement prédites par les solveurs LES dans les régimes dominés par les instabilités de combustion (couplages acoustiques forts). La prévision des niveaux de bruit de combustion dans ces systèmes en l’absence d’instabilités reste un challenge et les simulations proposées ici permettent des comparaisons avancées entre expériences et calculs. Les modèles bas-ordre sont développés en s’appuyant sur les résultats expérimentaux et numériques. Après validation, les résultats de calculs sont utilisés pour fournir les données et paramètres nécessaires à l’ajustement des modèles d’ordre réduit.
Résumé de la soumission : La proposition vise à caractériser les sources directes et indirectes de bruit issu de la combustion dans les moteurs aéronautiques et les générateurs d'énergie à turbines. Pour cela, les approches expérimentales, numériques et théoriques sont déployées en parallèle. Expérimentalement, le bruit de combustion est recréé et mesuré dans une chambre de combustion dédiée. Les caractéristiques des chambres industrielles telles que l'injection partiellement prémélangé pauvre et la stabilisation d'une flamme turbulente par écoulement tourbillonnaire sont reproduites. Cette installation est en revanche parfaitement équipée pour la caractérisation de l'ambiance acoustique dans la chambre mais aussi aux limites du système. Enfin, la mise en pression permet de générer un bruit indirect dans une situation très proche des configurations industrielles. En parallèle, les points de fonctionnement de cette installation sont calculés par simulation aux grandes échelles (HFLES) à l'aide du logiciel dédié AVBP. Le premier défi est de capturer les niveaux de pression acoustique mesurés. L'état actuel des modèles et des ressources numériques disponibles rend cette tâche délicate. Ces simulations permettront ensuite de comprendre les mécanismes de formation et de propagation du bruit dans la chambre. Un travail de post-traitement est attendu pour isoler les composantes directes et indirectes du bruit. Simultanément, d'autres simulations seront conduites sur la partie avale de la chambre pour comprendre la conversion des ondes entropies en ondes acoustiques au passage dans la tuyère. Ces transformations dépendent fortement de la géométrie et des conditions de l'écoulement. L'objectif final est de fournir une bonne compréhension et des modèles fiables pour la prédiction et la réduction du bruit de combustion dans des situations concrètes. Cette proposition a obtenu les labels INCA et IROQUA. Nous faisons actuellement une demande de labellisation par les pôles de compétitivité ASTech (Ile-de-France) et AESE (Sud-Ouest). Le projet est de plus fortement soutenu par l'entreprise Safran.
Résultats : Nous avons développé une base de données expérimentale pour la validation des méthodes de prévision du bruit de combustion. Cette base  contient des données directement exploitables pour la comparaison avec les résultats de calculs ou de modélisation. Nous avons mené des simulations aux grandes échelles extrêmement précises du système expérimental et démontré les capacités prédictives de la LES dans ce domaine. Nous avons identifié les sources de bruit directes et indirectes et amélioré  notre compréhension de ces phénomènes. Nous avons proposé une méthodologie bas-ordre pour l’estimation du bruit issu de la combustion. Ces trois succès nous ont permis d’intégrer le projet
européen RECORD dans la continuité de DISCERN.
Perspectives : Les travaux réalisés au cours de DISCERN présentent de nombreux aspects novateurs. Nous avons en particulier démontré notre capacité à précisément déterminer la répartition des sources acoustiques dans la chambre de combustion et à optimiser la géométrie de la tuyère associée sur le plan acoustique.
Publications et brevets : Les comparaisons entre expérimentation, simulation et modélisation nous ont permis de rédiger plusieurs communications conjointes, comme l’atteste notre liste de publications et communications.