Méthodes pour les Instabilités de Combustion Couplées par l'Acoustique – MICCA

Malgré un effort de recherche important au niveau mondial, il n'existe pas de méthodes de prévision des instabilités de combustion applicables au dimensionnement des chambres de combustion. Les problèmes d'instabilités sont récurrents et affectent de nombreux systèmes sur toute la gamme de puissance : chaudières à gaz, turbines à gaz, centrales thermiques, turboréacteurs et moteurs fusée. Ces instabilités sont responsables de vibrations de structures, d'augmentation des flux de chaleur aux parois et de disfonctionnements qui provoquent en général une réduction de la durée de vie du foyer et dans des cas extrêmes des dommages irrémédiables. Ces phénomènes sont malheureusement favorisés par les nouvelles technologies de combustion dans lesquelles le combustible et le comburant sont prémélangés avant de brûler afin de réduire les émissions de polluants. Les nouvelles stratégies utilisant des foyers à injection multi-points et des brûleurs swirlés pour réduire les émissions sont aussi très sensibles aux interactions acoustique-combustion et développent des régimes d'instabilité qui limitent leurs performances. Le projet proposé associe trois groupes de recherche qui ont tous contribué de façon significative sur le plan international à l'amélioration des connaissances de ces problèmes. Les trois partenaires ont déjà travaillé ensemble sur plusieurs projets et partagent des outils communs. Leurs compétences sont complémentaires. Le premier partenaire (EM2C,CNRS) est connu pour ses travaux théoriques, numériques et expérimentaux sur la dynamique des flammes perturbées, les fonctions de transfert de flammes, et pour ses développements récents sur des méthodes de prévision non-linéaires et des systèmes de contrôle dynamique des instabilités de combustion. Le second partenaire (CORIA, CNRS) a développé des expériences détaillées sur les interactions de flammes avec des champs acoustiques intenses. Le troisième partenaire (I3M, CNRS) apporte des compétences en simulation de la dynamique de la combustion. Il est à l'origine du développement du code AVSP dédié aux instabilités de combustion et largement utilisé en conception. L'objectif de ce consortium est d'améliorer l'état de l'art en combinant des expériences détaillées, des outils de modélisation et de prévision, et des simulations de ces phénomènes. Le projet est ciblé sur les systèmes à injection swirlée comportant un ou plusieurs brûleurs. Des expériences systématiques seront réalisées pour étudier la réponse de ce type de flamme à des modes longitudinaux et transverses. Ces expériences permettront de mesurer les fonctions de transfert généralisées. Le développement d'un outil de prévision (AVSP) sera réalisé pour inclure la dynamique non-linéaire des flammes et représenter la non-normalité des modes acoustiques. La méthodologie non-linéaire utilisée sera basée sur la 'FDF' qui généralise le concept de fonction de transfert de flamme en assurant une dépendance par rapport à l'amplitude des perturbations. Cette approche nouvelle constitue un outil puissant qui permet de déterminer le niveau des oscillations au cycle limite, les phénomènes d'hystérésis et de commutation de modes, typiques de problèmes rencontrés dans les foyers industriels. Le traitement acoustique de la non-normalité des modes est particulièrement important lorsque les conditions aux limites présentent des impédances finies comme c'est le cas en pratique. Les développements d'AVSP devraient permettre d'inclure ces phénomènes dans cet outil de prévision. Il est aussi proposé d'avancer dans le développement de méthodes de contrôle dynamique des instabilités de combustion en utilisant des techniques fondées sur la conversion de modes. Enfin, une tâche d'intégration finale est prévue pour rassembler les connaissances acquises et mettre au point un prototype de foyer sensible aux instabilités couplées par des modes azimutaux avec comme objectif une caractérisation détaillée de ce type de couplage.