SAF pour une aviation durable et respectueuse de l'environnement – FlySAFe

L’aéronautique s’est fixé des objectifs ambitieux dans sa lutte pour le climat visant efficacité énergétique et réduction des émissions de gaz à effets de serre. Le choix de carburants d’aviation durables (SAF) est prometteur à moyen terme : utilisant les mêmes moteurs et infrastructures carburant, il n’ajoute pas de carbone dans la biosphère. Pour accroître ce bénéfice environnemental, les SAF peuvent être injectés dans des architectures en combustion pauvre, technologie en rupture capable d’atteindre les objectifs de réduction des NOx et de limitation du CO. Mais les SAF, de par leur composition complexe et leur impact sur l’atomisation et l’évaporation, peuvent changer la dynamique de la combustion. Il est donc crucial d’étudier les processus non linéaires susceptibles d’induire un couplage combustion/acoustique caractérisé par des oscillations de grande amplitude de pression, vitesse et taux de dégagement de chaleur, particulièrement néfastes dans le cas de modes azimutaux. Pour faire face à la complexité de composition, le projet FlySAFe propose l’emploi de substituts mimant les propriétés des SAF cibles, issus de synthèse ou dérivés de la biomasse. Il vise à répondre aux questions suivantes : (1) quelle est la dynamique des flammes swirlées formées par un substitut binaire dont les composants ont des taux d’évaporation différents dans une situation de couplage entre combustion et modes acoustiques, longitudinaux ou azimutaux ? (2) quels sont les effets des interactions collectives sur la dynamique de la combustion lorsque les injecteurs sont alimentés en combustibles liquides multicomposants ? Pour répondre à ces enjeux complexes, les laboratoires CORIA, EM2C et CERFACS proposent de combiner expérimentations avancées, modélisations et simulations haute performance. Les expériences seront réalisées au moyen de 4 configurations originales : une chambre de combustion annulaire MICCA-Spray, de 16 flammes swirlées, pouvant être instable aux ondes acoustiques de modes longitudinaux et azimutaux et 2 chambres, SICCA (mono-injection) et TICCA (triple-injection), forcées par des ondes longitudinales (laboratoire EM2C), ainsi que d’une chambre de combustion linéaire à 5 flammes TACC-Spray, simulant un secteur développé de la chambre de combustion annulaire, forcée par des ondes transversales (laboratoire CORIA). La modélisation LES à l’aide du code AVBP de flammes de combustibles multi-composants, développée par le CERFACS pour les SAF, servira à simuler le couplage spray-acoustique et le couplage combustion-acoustique, notamment dans le cas des configurations multi-injection. Le projet FlySAFe, organisé en 4 tâches scientifiques principales consolidées par de fortes interactions inter-laboratoires, utilisera in fine les éléments déduits de ces recherches croisées dans des modèles d’ordre réduit décrivant la réponse acoustique de la chambre de combustion annulaire et dans le solveur de Helmholtz AVSP développé par le CERFACS pour simuler la dynamique du système et les instabilités de combustion couplées par des modes azimutaux (CERFACS, EM2C, CORIA). Ce projet vise à faciliter la prévision des instabilités thermo-acoustiques et ainsi éviter des phénomènes dynamiques qui réduisent les domaines d’opérabilité des moteurs, induisent des vibrations et une fatigue cyclique et peuvent entrainer la dégradation mécanique de la chambre de combustion. Les avancées méthodologiques de ce projet peuvent à la fois apporter des réponses à des questions fondamentales dans le domaine de la dynamique de la combustion et donner des clés pour l’utilisation des SAF en remplacement du kérosène. Les objectifs sont en phase avec ceux des motoristes (comme Safran), avec les enjeux de l’axe scientifique H.9 : Une énergie durable, propre, sûre et efficace, et avec l’ODD n°7 Energie propre et abordable de l’Agenda 2030 de l’ONU.