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Etude énergétique des instabilités thermo-acoustiques et optimisation génétique des cinétiques réduites.

Martin, Charles-Etienne (2005) Etude énergétique des instabilités thermo-acoustiques et optimisation génétique des cinétiques réduites. (Energetic study of combustion instabilities and genetic optimisation of chemical kinetics.)

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Abstract

Les chambres de combustion des turbines à gaz fonctionnent maintenant souvent dans un mode de combustion prémélangée pauvre. Cette technologie s'est rendue indispensable pour limiter les émissions polluantes (en particulier les oxydes d'azote), et ainsi satisfaire aux normes antipollution. Néanmoins l'adoption de mode de combustion prémélangée pauvre réduit considérablement la marge de stabilité de flammes en les rendant sensibles aux perturbations de l'écoulement. L'apparition d'instabilités de combustion dans ces brûleurs est alors devenu un problème récurrent pour les concepteurs. Les méthodes de contrôle actif de ces instabilités ont permis de maintenir en fonctionnement les turbines d'ancienne génération convertie au mode prémélangé. La conception et la mise au point des nouvelles turbines doit s'affranchir de ces systèmes de contrôle et offrir une stabilité naturelle par un dessin approprié. La prédiction et l'étude des instabilités de combustion restent des champs ouverts de la recherche, car il est pour l'heure toujours impossible de garantir totalement la stabilité d'une chambre nouvellement conçue. Les méthodes de simulation instationnaires ont maintenant atteint un niveau de maturité qui leur permet de rendre compte des principaux phénomènes intervenant dans l'apparition d'instabilités de combustion. La simulation aux grandes échelles (LES) devient un outil de simulation précis et performant, capable de capturer les instabilités de combustion. Sa précision repose pour partie sur certains modèles. Pour cela, cette thèse traite en partie de la modélisation de la chimie. L'optimisation des schémas cinétiques permet d'obtenir la précision requise sur les taux de combustion dans les simulations réactives en géométrie complexe. En outre, cette étude met en avant la capacité de la LES réactive compressible à capturer des instabilités thermo-acoustiques. L'analyse du bilan énergétique de l'acoustique met au premier plan l'importance de la prise en compte des impédances acoustiques aux entrées et sorties de la chambre. ABSTRACT : Gas turbine burners are now widely operated in lean premixed combustion mode. This technology has been introduced in order to limit pollutants emissions (especially the NOx), and thus comply with environment norms. Nevertheless, the use of lean premixed combustion decreases the stability margin of the flames. The flames are then more prone to be disturbed by flow disturbances. Combustion instabilities are then a major problem of concern for modern gas turbine conception. Some active control systems have been used to ensure stability of gas turbines retrofitted to lean premixed combustion. The current generation of gas turbines aims to get rid of these control devices getting stability by a proper design. To do so, precise and adapted numerical tools are needed even it is impossible at the moment to guarantee the absolute stability of a combustion chamber at the design stage. Simulation tools for unsteady combustion are now able to compute the whole combustion chamber. Its intrinsic precision, allows the Large Eddy Simulation (LES) to take into account numerous phenomena involved in combustion instabilities. Chemical modelling is an important element for the precision of reactive LES. This study includes the description of an optimisation tools for the reduced chemical kinetics. The capacity of the LES to capture combustion instabilities in gas turbine chamber is also demonstrated. The acoustic energy analysis points out that the boundary impedances of the combustion systems are of prime importance for their stability.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cuenot, Bénédicte and Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Simulation aux Grandes Echelles - Combustion prémélangée - Instabilités de combustion - Acoustique - Cinétique chimique réduite - Turbine à gaz. KEYWORDS : Large Eddy Simulation - Unsteady premixed combustion - Combustion instabilities - Acoustics - Reduced chemical kinetics - Gas turbines.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:04 May 2006

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