Acoustique et dynamique de flamme dans un foyer turbulent prémélangé swirlé : application à l'étude du bruit de combustion dans les chambres de turbines à gaz.

La reduction des emissions de polluants et l’augmentation du rendement des moteurs ont conduit a une large utilisation de regimes de combustion pauvres en carburant dans les foyers de type moteurs aeronautiques et turbines a gaz. Des phenomenes de bruit et d’instabilites de combustion peuvent alors apparaitre. Des fluctuations cycliques auto-entretenues de la pression au sein d’un foyer peuvent conduire a une limitation des regimes de fonctionnement ou une usure rapide et indesirable des installations et dans certains cas une destruction du systeme. L’objectif de ce travail de these est d’etudier les mecanismes responsables du bruit de combustion et des instabilites dans un foyer turbulent premelange swirle. L’etude repose sur une analyse du champ de pression au sein du foyer, de la dynamique de la combustion et une caracterisation detaillee des conditions limites en amont, aval et dans les lignes d’alimentation en combustible et en comburant. Le banc experimental CESAM ("Combustion Etagee Swirlee Acoustiquement Maitrisee") est utilise au cours de ce travail. Basee sur des observations experimentales, une etude theorique de l’acoustique du foyer est tout d’abord realisee grâce a un modele a deux cavites couplees qui modelisent le tube de premelange et la chambre de combustion de ce banc. Les frequences et les structures spatiales des modes propres du foyer sont examinees, et des comparaisons sont menees avec les resultats experimentaux. La condition limite au fond du tube de premelange est mesuree, et utilisee comme entree dans le modele. L’effet de cette condition sur la prevision des frequences des modes propres est examine. Par la suite, le code de calcul AVSP est utilise pour valider les resultats obtenus avec le modele couple. L’interaction entre ces modes acoustiques et la flamme est mise en evidence en caracterisant la dynamique de l’ecoulement reactif. La velocimetrie par images de particules (PIV) a haute cadence est utilisee. Une premiere etude est menee sur les champs de vitesse moyens et fluctuants puis on s’interesse a l’analyse spectrale des champs de vitesse instantanes, rendue possible par la haute cadence du diagnostic. Un post-traitement faisant intervenir une methode de detection des tourbillons est ensuite mis en oeuvre en utilisant le critere _2. Des structures coherentes sont convectees le long du front de flamme a la frequence du second mode instable du foyer. Le chapitre precedent ayant permis de montrer que ce mode acoustique etait essentiellement associe au tube de premelange, le mecanisme de couplage est clairement identifie. Par la suite, un traitement en moyenne de phase est applique aux champs de vitesse axiale. Des mouvements de battements des bras de la flamme dans les directions longitudinale et transverse sont mis en evidence aux frequences des modes instables. L’emission naturelle de la flamme est egalement mesuree avec une camera rapide. Une analyse spectrale et un traitement en moyenne phase avec transformee d’Abel sont appliques aux images pour caracteriser les regions de la flamme presentant une forte reponse aux frequences des modes acoustiques du foyer. Les mecanismes a l’origine du bruit sont analyses en correlant les mesures optiques et acoustiques. Au cours de cette etude, des fonctions de transfert de flamme FTF sont egalement caracterisees aux frequences des modes propres du foyer, liant perturbations amont et reponse de flamme. La vitesse acoustique est reconstruite dans le tube de premelange a partir des mesures des microphones. La FTF est calculee grâce aux mesures de vitesse par PIV, a l’emission des radicaux OH* et CH* et a l’emission naturelle de la flamme obtenue par camera rapide. La caracterisation et la modelisation du systeme compose du tube de premelange et de la chambre de combustion montrent qu’il est necessaire de s’interesser a l’influence des conditions aux limites sur les proprietes de la flamme et la stabilite du bruleur.