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Simulation aux grandes échelles des instabilités de combustion : vers le couplage fluide / structure

Sengissen, Aloïs (2006) Simulation aux grandes échelles des instabilités de combustion : vers le couplage fluide / structure. (Large Eddy Simulation of combustion instabilities : towards fluid/structure coupling.)

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Abstract

Afin de pouvoir satisfaire aux normes de pollutions, les turbines à gaz actuelles sont contraintes à fonctionner dans un régime pauvre. Le mode de combustion qui en résulte peut présenter des instabilités susceptibles de dégrader la durée de vie des composants de la structure. Malheureusement, ces instabilités sont totalement imprévisibles à l'aide des méthodes d'ingénierie classiques. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de l'approche de la Simulation aux Grandes Echelles (LES) pour prédire ces instabilités et évaluer leur impact sur la structure. Avant de procéder au couplage proprement dit, de nombreux phénomènes sont à éclaircir, tels que le rôle des fluctuations de richesse dans le caractère instationnaire de la réaction, ou l'influence des conditions limites thermiques sur les régimes instables. Ce travail de thèse montre une validation de la LES sur un brûleur-test développé spécifiquement à l'Université of Twente (Pays bas) dans le cadre du projet Européen DESIRE. Après comparaison avec les données expérimentales (LDV et chemiluminescence CH*), nous démontrerons l'influence des conditions limites thermiques non seulement sur la fréquence mais aussi sur l'amplitude des modes instables. Ensuite, il sera mis en évidence que les ondes acoustiques se propageant dans les conduits d'air lors du forçage de la ligne de fuel modifient de façon significative la perturbation de richesse réellement perçue par la flamme. Sa réponse sera en outre caractérisée en détail (linéarité). Enfin, les résultats d'un prototype de couplage entre la LES (AVBP) et un code de structure (ANSYS) seront présentés. ABSTRACT : A specificity of modern gas turbines is that these systems operate in very lean regimes to satisfy emission regulations. The resulting flames may be sensitive to combustion oscillations which could dramatically diminish their service life due to the fatigue of the structure. Unfortunately the prediction of combustion instabilities using standard engineering tools is impossible. The work presented here investigates the capabilities of the Large Eddy Simulation (LES) approach to predict the instability and to evaluate its impact on the structure. On the way towards this fluid/structure coupling, many phenomena remain unclear, such as the role of equivalence ratio fluctuations in inducing an unsteady reaction rate, or the influence of thermal boundary conditions on these undesired combustion modes. The LES methodology is applied on a lab-scale burner specifically developed at University of Twente (the Netherlands) in the framework of the DESIRE European project. After performing a comparison with experimental data (LDV and Chemiluminescence CH*), this study will demonstrate the influence of thermal boundary conditions on both frequency and amplitude of unstable modes. Then will be revealed that the acoustic waves propagating in the air passages when forcing the fuel line significantly modifies the actual equivalence ratio perturbation seen by the flame. Besides, its own response will be characterised (linearity). Finally, the results of a prototype of coupling between LES (AVBP) and a structure code (ANSYS) are presented.

Department or laboratory:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Fonction de transfert de flamme - Combustion partiellement prémélangée - Écoulements vrillés - Simulation aux grandes échelles (LES) - Couplage fluide/structure. KEYWORDS : Flame transfer functions - Imperfectly premixed combustion - Swirl flows - Large Eddy Simulations - Fluid/structure coupling.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:21 February 2007

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