Identification of Combustion Noise and Flame Dynamics of Confined Turbulent Flames – NoiseDyn

Des expériences dans un foyer développé au laboratoire EM2C pour mener des analyses détaillées de la combustion et de l’acoustique sont utilisées pour caractériser (i) des régimes associés à des oscillations auto-entretenues de la combustion couplées à l'un des modes propres du système (ii) le niveau de bruit et ses caractéristiques spectrales dans la chambre de combustion, le plénum et le tube d'échappement pour des régimes de fonctionnement stables et instables, (iii) la réponse de la flamme soumise à des perturbations acoustiques pour déterminer la fonction de transfert de flamme, c'est-à-dire sa réponse cohérente des perturbations acoustiques et (iv) la contribution stochastique à la source de bruit de combustion du système brûleur/flamme pour différentes charges du foyer.
Les simulations aux grandes échelles réalisées par TUM de la configuration EM2C sont d'abord utilisées pour valider les calculs dans des configurations à froid et à chaud et des configurations stables et instables du foyer. Ces simulations sont ensuite utilisées pour extraire la réponse du taux de dégagement de chaleur aux pulsations acoustiques en reconstruisant la réponse impulsionnelle de la flamme à partir d’excitations large bande.
Les perturbations du dégagement de chaleur associées à des fluctuations turbulentes sont également déterminées en utilisant des techniques d'identification de système basées sur un modèle de Box-Jenkins. Ce modèle donne une estimation de la source de bruit associée au processus turbulent de combustion à partir des mêmes données que celles utilisées pour déterminer la réponse cohérente de la flamme.
En combinant les données associées à des excitations large bande obtenues à partir de simulations aux grandes échelles et les méthodes d'identification de Box-Jenkins, des modèles sont développés pour la réponse cohérente de la flamme et la source turbulente du bruit de combustion.

Le banc développé au laboratoire EM2C permet d'examiner la dynamique de la combustion dans des conditions sans et avec forçage acoustique. Des spectres de pression acoustique et du taux de dégagement de chaleur ont été mesurés.
Les simulations aux grandes échelles conduites à TUM permettent de reproduire les spectres mesurés dans le foyer EM2C lorsque le foyer est instable, stable et pour des conditions de stabilité intermittentes. Le déclenchement de l'instabilité qui est contrôlé dans l'expérience en changeant la longueur du tube d'échappement de la chambre de combustion est modélisé dans les simulations par une représentation d’état de l’acoustique en amont et en aval du domaine numérique.
Les études réalisées sur des séries temporelles génériques montrent qu’un modèle de Box-Jenkins permet d’identifier la réponse impulsionnelle de la flamme avec une estimation fiable de l’erreur.
En combinant les données issues des simulations aux grandes échelles de la réponse de la flamme à un bruit large bande et la méthode d’identification de Box-Jenkins, un modèle a été développé pour la réponse de la flamme à des perturbations synchronisées de l’écoulement et la source turbulente de bruit de combustion.
Ce modèle combiné à un réseau d’éléments acoustiques compacts permet de déterminer la dynamique de la combustion et la distribution de la pression acoustique avec un coût de simulation réduit. On obtient un accord satisfaisant pour la matrice de diffusion du système brûleur/flamme entre les prédictions du modèle d'ordre réduit et les données mesurées.
Le modèle d'ordre réduit reproduit avec un très bon accord les données expérimentales des spectres sonores et permet une interprétation intuitive en termes de résonances de cavité et de couplage acoustique-flamme. On montre qu’il est nécessaire d’inclure la réponse dynamique de flamme dans le modèle de réseau pour estimer correctement la pression acoustique dans le foyer.

Un nouveau cadre a été développé pour analyser simultanément la dynamique de la combustion conduisant à des oscillations périodiques de taux de dégagement de chaleur et le bruit large bande résultant de fluctuations turbulentes du taux de dégagement de chaleur. Ce cadre permet également d’étudier leurs interactions. Dans les expériences, des mesures avec forçage acoustique et en l’absence de forçage externe ont été utilisées pour déterminer la source turbulente de bruit de combustion et la contribution des perturbations acoustiques à la réponse cohérente de la flamme. Dans les simulations aux grandes échelles des écoulements, des perturbations avec un bruit large bande ont été combinées avec des techniques d’identification de système avancées pour déduire simultanément des modèles pour la réponse cohérente de la flamme et la génération de bruit de combustion. Ces modèles ont été utilisés avec succès dans un réseau d’éléments acoustiques pour obtenir un modèle d’ordre réduit qui permet de prédire la dynamique de la combustion et le bruit de combustion en couvrant un large espace de paramètres avec des coûts réduits de simulation.

Ce travail conjoint entre EM2C et TUM a conduit à 9 publications dans des revues internationales à comité de lecture et plus de 10 présentations dans des congrès internationaux, la plupart avec des actes. Seules les publications avec comité de lecture sont reproduites ici. Les publications conjointes avec TUM sont indiquées avec un astérisque :
[1] R. Gaudron, M. Gatti, C. Mirat, T. Schuller, Combustion and Flame, 2017, 179: 138—153. ANR
[2] C.F. Silva, M. Merk, T. Komarek, W. Polifke, Combustion and Flame, 2017, 182:269–278. DFG
[3] M. Merk, W. Polifke, R. Gaudron, M. Gatti, C. Mirat, T. Schuller, AIAA Journal, 2018, 56:1930-1942. ANR et DFG.
[4] S. Jaensch, M. Merk, T. Emmert, W. Polifke, Combustion Theory and Modelling, 2018, 22: 613–634. DFG.
[5] M. Merk, S. Jaensch, C. Silva, W. Polifke, Journal of Sound and Vibration, 2018, 422: 432–452. DFG.
[6] R. Gaudron, M. Gatti, C. Mirat, T. Schuller, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2019, 141: 051016 (9 pages). ANR.
[7*] M. Merk, R. Gaudron, C. Silva, M. Gatti, C. Mirat, T. Schuller, W. Polifke, Proceedings of the combustion institute, 2019, 37:5263—5270. ANR et DFG.
[8*] M. Merk, C. Silva, W. Polifke, R. Gaudron, M. Gatti, C. Mirat, T. Schuller, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2019, 141:021035 (9 pages). ANR et DFG.
[9] M. Gatti, R. Gaudron, C. Mirat, L. Zimmer, T. Schuller, I Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37: 51977—5204. ANR.