Dynamics and nonlinear thermo-acoustic stability analysis of premixed conical flames

• Main Author: Cuquel, Alexis
• Other Authors: Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Language: en
• Published: 2013
• Subjects: Chambres de combustion; Oscillations auto-entretenues; Prédiction; Combustion chambers; Self-sustained oscillations; Prediction
• Online Access: http://www.theses.fr/2013ECAP0037/document

Les instabilités thermo-acoustiques présentes dans les chambres de combustion sont générées par des interactions entre une flamme et l’acoustique du foyer. Ces oscillations auto-entretenues peuvent être observées dans de nombreux systèmes industriels tels que des chaudières domestiques, des fours industriels, des turbines à gaz ou des moteurs fusée. Bien que ce phénomène ait fait l’objet de nombreux travaux, il n’existe toujours pas de cadre d’étude assez général et robuste pour prédire le déclenchement de ces oscillations auto-entretenues et pour déterminer l’évolution des variables de l’écoulement à l’intérieur de la chambre de combustion. Ce travail s’appuie à la fois sur des modèles et des expériences. L’objectif est d’améliorer la description de la réponse de flammes coniques laminaires prémélangées à des perturbations de l’écoulement et les prédictions d’instabilités thermo-acoustiques dans des foyers alimentés par des flammes coniques. Dans la première partie du manuscrit, une revue des modèles décrivant la dynamique de flammes coniques est entreprise et un cadre général d’étude pour la modélisation de la Fonction de Transfert de Flamme (FTF) est présenté. Le dispositif expérimental ainsi que les diagnostics utilisés sont ensuite décrits. Ces systèmes sont utilisés pour mesurer la FTF de flammes coniques laminaires prémélangées soumises à des perturbations harmoniques de l’écoulement. Une nouvelle technique expérimentale est proposée pour contrôler les perturbations de l’écoulement à la sortie du brûleur. Elle est utilisée pour moduler l’écoulement avec un bruit blanc aléatoire et déterminer la FTF avec une résolution fréquentielle bien meilleure. Pour de faibles niveaux d’excitation, les résultats obtenus avec cette technique sont en accord avec ceux obtenus par la méthode classique utilisant des perturbations harmoniques. Les limites de cette technique sont décrites lorsque le niveau de perturbation augmente. Plusieurs expressions analytiques de la FTF de flammes coniques sont établies dans la seconde partie de cette thèse en introduisant progressivement plus de phénomènes physiques dans le modèle. Les modèles basés sur des perturbations convectées par l’écoulement sont étendus en tenant compte de la nature incompressible du champ de perturbation de vitesse. La prévision de la phase de la FTF de flamme conique est améliorée et présente un bon accord avec les mesures. Ensuite, une étude détaillée des interactions de la base de la flamme avec le bord du brûleur est conduite en tenant compte des pertes thermiques instationnaires de la flamme vers le brûleur. Ce mécanisme contrôle le mouvement de la base de la flamme et la dynamique de flamme à haute fréquence. Cette contribution à la FTF détermine le comportement haute fréquence de la FTF ainsi que l’évolution non-linéaire de la FTF lorsque le niveau de perturbation augmente. Enfin, une analyse de la dynamique des flammes coniques est entreprise pour des flammes placées dans des tubes de différents diamètres. Il est montré que les effets de confinement doivent être pris en compte lorsque les gaz brûlés ne peuvent se dilater complètement. Des différences importantes sont observées entre des FTF mesurées pour des tubes de confinement de diamètres différents. Un nouveau nombre sans dimension est établi pour prendre en compte ces effets. Ces différents modèles sont ensuite utilisés pour modéliser la réponse d’une collection de petites flammes coniques stabilisées sur une plaque perforée. Il est montré qu’une combinaison de ces modèles permet de capturer le comportement de ces flammes ainsi que l’évolution de la phase de la FTF couvrant le spectre fréquentiel pertinent pour la prédiction d’instabilités thermo-acoustiques. === Thermo-acoustic instabilities in combustion chambers are generated by the interactions between a flame and the combustor acoustics, leading to a resonant coupling. These self-sustained oscillations may be observed in many practical systems such as domestic boilers, industrial furnaces, gas turbines or rocket engines. Although this phenomenon has already been the topic of many investigations, there is yet no generalized robust framework to predict the onset of these self-sustained oscillations and to determine the evolution of the flow variables within the combustor during unstable operation. This work builds on previous models and experiments to improve the description of the response of laminar conical flames to flow perturbations and the prediction of thermoacoustic instability in burners operating with conical flames. In the first part of the manuscript, an extensive review of conical flame dynamics modeling is undertaken and a general framework for the modeling of their Flame Transfer Function (FTF) is presented. The experimental setup and the diagnostics used to characterize their response to flow disturbances are then described. They are used to measure the FTF when the flames are submitted to harmonic flow perturbations. A novel experimental technique is also proposed to control the flow perturbation level at the burner outlet. It enables to modulate the flow with random white noise perturbations and to measure the FTF with a better frequency resolution. Results with this alternative technique compare well with results from the classical method using harmonic signals for small disturbances. Limits of this technique are also highlighted when the perturbation level increases. Different analytical expressions for the FTF of conical flames are derived in the second part of the thesis by progressively introducing more physics into the models. Models based on convected flow disturbances are extended by taking into account the incompressible nature of the perturbed velocity field. It is shown that the prediction of the FTF phase lag of a conical flame is greatly improved and collapses well with measurements. Then, a thorough investigation of the flame base dynamics interacting with the anchoring device is conducted by considering unsteady heat loss from the flame to the burner. This mechanism is shown to drive the motion of the flame base and the flame dynamics at high frequencies. It is also shown that this contribution to the FTF rules the high frequency behavior of the FTF as well as the nonlinear evolution of the FTF when the perturbation level increases. Finally, an analysis is conducted on the dynamics of a single conical flame placed into cylindrical flame tubes featuring different diameters. It is shown that confinement effects need to be taken into account when the burnt gases cannot fully expand. Large differences are observed between FTF measured for different confinement tube diameters. A new dimensionless number is derived to take these effects into account and make all the FTF collapse on a single curve. These different models are then used to model the response of a collection of small conical flames stabilized on a perforated plate. It is shown that by sorting out the different contributing mechanisms to the FTF, the expressions proposed in this work may be combined to capture the main behavior and correct phase lag evolution of these flames in the frequency range of interest for thermo-acoustic instability prediction.