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Conception et étude expérimentale et numérique d'un système de contrôle de trajectoire et mélange des jets de gaz dans les brûleurs à oxygène.

Lederlin, Thomas (2007) Conception et étude expérimentale et numérique d'un système de contrôle de trajectoire et mélange des jets de gaz dans les brûleurs à oxygène. (Conception and experimental/numerical study of a system controlling the trajectory and mixing of gaseous jets in oxy/fuel burners.)

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Abstract

Le contrôle de flammes multi-jets est étudié dans cette thèse et appliqué à des oxy-brûleurs à jets séparés d’Air Liquide. Le procédé de contrôle en question consiste à dévier un jet gazeux axisymmétrique par une injection transverse du même gaz. Un actionneur a été spécifiquement conçu à l'MFT pour réaliser cette injection et provoquer des déviations de jet de forte amplitude. L’aérodynamique de l’écoulement d’un injecteur à deux jets, équipés de ces actionneurs, a été étudiée expérimentalement et numériquement. Deux configurations différentes ont montré la capacité des actionneurs à améliorer le mélange des réactifs et contrôler la trajectoire globale de l’écoulement. Les visualisations expérimentales et les mesures par anémométrie à fil chaud coïncident avec les résultats du calcul LES, obtenus avec le code AVBP. Des calculs réactifs d’une configuration à trois jets ont aussi été menés ; comparés à des résultats expérimentaux du CORIA, ils montrent l’effet de l'ncidence des jets sur la structure de flamme et prouvent la capacité de la LES à capturer ces phénomènes. Au niveau industriel, un brûleur pilote de 1 MW a été équipé avec les actionneurs conçus à l'MFT. Les tests de ce brûleur ont prouvé l’efficacité des actionneurs pour orienter les transferts thermiques de la flamme vers une charge et ont aussi mis en évidence une augmentation nette du rendement thermique de ce brûleur par rapport à une configuration non-actionnée. En conséquence, le système et le procédé de contrôle à l’aide d’actionneurs ont été brevetés. ABSTRACT : This work deals with the control of multi-jet flames for an application to oxy-fuel multi-jet burners. The generic type of control that is studied here is an axisymmetric jet being vectored by a transverse fluid injection. An actuator, designed at IMFT, carries out this injection and gives a large amplitude to the jet deviation. The aerodynamics of the flow issuing from a double-jet injector, geared with actuators, is then studied experimentally and numerically. Two different flow configurations prove the ability of the actuator to enhance mixing and to control the trajectory of the global flow. The experimental visualization and quantitative measurements, achieved with hot-wire velocimetry, are retrieved well by the Large Eddy Simulations, performed with the code AVBP. Reactive calculations on a three-jet configuration are also undertaken. When compared to experimental results from CORIA, these calculations show the effect of jet incidence on the flame structure and prove the ability of LES to capture such phenomena. At the industrial level, a 1-MW pilot burner has been outfitted with the IMFT actuators. Tests of this burner prove the effectiveness of the actuators to orient the heat transfer from the flame to a load, and exhibit better overall performance than a "straight-flame" burner. As a result of these tests, the system and process of control have been patented.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Brûleur - Jet - Contrôle - Actionneur - Interaction de jets - Flamme de diffusion - LES. KEYWORDS : Burner - Jet - Control - Actuator - Jet interaction - Diffusion flame - LES
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:03 November 2009

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