PhD proposal
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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 1 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. 2 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. 3