PhD proposal

Proposition de thèse Octobre 2011-Septembre 2014
Étude de la dynamique de la combustion turbulente par diagnostics laser à haute cadence et
outils d’analyses avancés
Responsable : L. Zimmer.
contact : [email protected] (poste 01 41 13 10 66)
Mots clés : Combustion turbulente - Diagnostics optiques - Laser Haute cadence - Diagnostics couplés
Contexte de l’étude
Les restrictions actuelles et futures sur les émissions des transports aéronautiques entraînent de profondes modifications dans les chambres de combustion. Afin de limiter les températures en sortie de chambre, des technologies de
combustion partiellement pré-mélangée remplacent progressivement des technologies basées sur des flammes de diffusion.
L’avantage d’effectuer initialement le mélange réside dans une température de flamme plus faible et donc permet de
limiter les émissions de type NOx. Les mélanges doivent contenir en proportion moins de carburant que requis pour parfaitement équilibrer la réaction chimique avec l’oxydant ; on parle alors de flamme pauvre. Cependant, ces technologies
présentent plusieurs difficultés. La première est le décrochage possible de la flamme si celle-ci est soumise à des oscillations
de pression ou de vitesse, ce qui peut amener à une extinction complète de la chambre. Le second inconvénient survient
lorsque les oscillations de pression sont en phase avec des oscillations de dégagement de chaleur. Cela peut rendre le
système instable et conduit à des oscillations de fortes amplitudes. La mise en cycle limite de telles installations restent
un point important à examiner en vue d’un contrôle actif car cela permettrait de positionner des capteurs afin de détecter
tout couplage éventuel entre dégagement de chaleur et acoustique.
Thématique de l’étude
Afin de mieux comprendre la dynamique d’un tel système, il convient d’obtenir en simultanée plusieurs informations
concernant à la fois les vitesses des gaz et des informations sur la position de la flamme. On se propose dans cette
thèse d’utiliser des diagnostics laser couplés, fonctionnant à haute cadence et de développer des outils de traitement
permettant l’analyse dynamique de ces systèmes. Cette étude se fait en collaboration avec le laboratoire du Pr. Miyauchi
et du Pr. Tanahashi, basé au Tokyo Instiutute of Technology. La première partie de la thèse consiste à utiliser le dispositif
expérimental situé dans leur laboratoire. Celui-ci consiste en une flamme swirlée autour de laquelle plusieurs diagnostics
ont déjà été utilsés (Tanahashi et al. [2008a,c,b], voir figure 1). L’originalité de la thèse réside dans l’extension des capacités
de mesures à hautes cadences à des informations de fluorescence sur les molécules OH et CH, ce qui serait une première
mondiale. Le carburant type sera du méthane ou du propane, sous forme gazeuse. L’obtention des trois composantes de
la vitesse (par PIV stéréoscopique à haute cadence) couplée aux informations de fluorescence permettront d’identifier les
interactions entre l’écoulement gazeux et les réactions chimiques dans des configurations parfaitement maîtrisées. Cette
première partie de thèse se ferait grâce à un support ERASMUS MUNDUS, géré par l’École Centrale Paris. Il est aussi
prévu, toujours dans ce cadre, de faire venir un chercheur japonais pour une période de 2 mois au laboratoire, avant le
départ du candidat dans le laboratoire japonais.
La seconde partie de la thèse consiste en l’utilisation d’outils d’analyses, de type POD (Proper Orthogonal Decomposition, EPOD (Extended POD) et DMD (Dynamic Mode Decomposition) pour comprendre l’évolution dynamique
de la flamme sur les données acquises au Japon. Une comparaison fine avec les simulations effectuées en parallèle au
laboratoire japonais permettra de mettre en avant les effets d’interactions entre chimie et rubulence. Enfin, en dernière
partie, certains diagnostics rapides pourraient être appliqués à un injecteur diphasique du laboratoire EM2C (flamme
DELCO) pour appréhender la problématique diphasique.
Travail demandé lors de la thèse
Le travail se déroulera en trois grandes phases, détaillées ci-dessous
Phase 1 : Expériences au Japon
L’objectif y sera d’utiliser les diagnostics rapides disponibles et d’y développer la partie de fluorescence rapide, en
cours d’acquisition. Le candidat participera au montage du système et se familiarisera avec le brûleur dans un premier
temps. Ensuite, l’utilisation simultanée des diagnostics constituera la grande partie du travail. Il est attendu un, voire
deux papiers journaux sur le développement de la technique, car jusqu’à présent, de telles capacités ne sont disponibles
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Figure 1 – Banc expérimental développé au Tokyo Institute of Technology (Shimura et al. [2011]))
dans aucun laboratoire. La physique de l’écoulement étant globalement comprise, le candidat cherchera surtout à mettre
en évidence les phénomènes tridimensionnels.
Phase 2 : Analyses par outils avancés
L’obtention des mesures représentera une grande avancée en terme de diagnostics. Cependant, l’objectif final st
d’apporter une contribution à la compréhension globale de la dynamique de la combustion et passe par l’utilisation
d’outils mathématiques d’analyses de système en oscillation. L’utilisation de techniques d’analyses, telle la POD est
devenue relativement classique, même dans des systèmes réactifs. Cependant, l’obtention de plusieurs diagnostics couplés
permet des approches plus sophistiquées, qui prennent en compte le couplage entre deux grandeurs physiques (Duwig
and Iudiciani [2010]). Cette approche, appelée Extended POD permettra de mettre en évidence des couplages de mode
sur des signaux de nature différente. Ensuite, de part l’utilisation de laser à haute cadence, des approches basées sur
la linéarisation du système (de type DMD, Rowley et al. [2009]) devraient permettre de mieux comprendre les aspects
dynamiques réels, notamment lors de phénomènes transitoires. Ce type d’approche est actuellement développée au
laboratoire dans le cadre du projet DIGITEO MUSE.
Phase 3 : Applications dans un injecteur liquide
Selon le déroulement de la thèse, certaines expériences dynamiques en présence de gouttes pourraient être effectuées
au laboratoire EM2C, sur un injecteur turbulent relativement simple, développé dans le cadre du projet DIGITEO MUSE
et de l’ANR SECHELLES. L’originalité serait l’utilisation de diagnostics laser à haute cadence (type PIV ou IPI) pour
l’étude de la dynamique du spray lors de l’utilisation de conditions aux limites relativement maîtrisées (voir 2).
Références
C. Duwig and P. Iudiciani. Extended proper orthogonal decomposition for analysis of unsteady flames. Flow, Turbulence
and Combustion, 84(1) :25–47, 01 2010.
C.W. Rowley, S. Bagheri I. Mezic, P. Schlatter, and D. S. Henningson. Spectral analysis of nonlinear flows. Journal of
Fluid Mechanics, 641 :115–127, 2009.
M. Shimura, T. Ueda, G-.M. Choi, M. Tanahashi, and T. Miyauchi. Simultaneous dual-plane ch plif, single-plane oh
plif and dual-plane stereoscopic piv measurements in methane-air turbulent premixed flames. Proceedings of the
Combustion Institute, 33 :775–782, 2011.
M. Tanahashi, T. Hirayama, S. Taka, and T. Miyauchi. Measurement of fine scale structure in turbulence by time-resolved
dual-plane stereoscopic piv. International Journal of Heat and Fluid Flow, 29 :792–802, 2008a.
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Figure 2 – Injecteur diphasique développé au laboratoire EM2C
M. Tanahashi, S. Inoue, M. Shimura, S Taka, G.-M. Choi, and T. Miyauchi. Reconstructed 3d flame structures in
noise-controlled swirl-stabilized combustor. Experiments in Fluids, 45(3) :447–460, 2008b.
M. Tanahashi, S. Taka, M. Shimura, and T. Miyauchi. Ch double-pulsed plif measurement in turbulent premixed flame.
Experiments in Fluids, 45(2) :323–332, 2008c.
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