Analysis of the response of a set of dampers for thermo-acoustic instabilities

Mohamed Zekad

Lundi 18 décembre 2023 à 10h00 Amphithéâtre Nougaro

Abstract: Combustion instabilities resulting from a thermo-acoustic coupling represent a difficult obstacle for the design of new combustion systems with reduced pollutant emissions. In ground-based systems they are often hindered with acoustic dampers. This thesis focuses on the analysis of acoustic dampers for thermos-acoustic instabilities by various means and in various applications. The work is divided into three parts.
In the first part, the damping performances of perforated plates traversed by a bias flow combined with a resonant back-cavity are studied analytically and experimentally in the linear and nonlinear regimes. Their acoustic response to sound waves of increasing level is investigated in a dedicated setup under cold flow conditions. The impedance of the damper is determined from three microphones. A differential pressure gauge also measures the pressure drop through the plates. Acoustic absorption is analyzed for different plate porosities. It is shown that transition from linear to nonlinear regime depends on the ratio between the acoustic velocity perturbation inside the hole and the bias flow velocity through the perforation. A quasi-steady model valid at low Strouhal numbers is developed to determine the plate response in the nonlinear regime. It is shown that absorption is lower than in the linear regime and that high acoustic forcing leads to an additional pressure drop through the plates. Predictions at the zero and at the forcing frequencies are compared to measurements with reasonable agreement over the frequency band from 100 Hz to 1000 Hz. The impact of plate thickness, distribution of two different hole sizes and a chamfer at the hole outlet are also studied. The analytical model that are developed give relatively good agreement with measurements made in the linear and nonlinear regimes.
In the second part, an analytical study is conducted to model the impact of perforates on the acoustic field in a laminar boiler. Firstly, abnormal noise is detected by microphones with instabilities around 1000 Hz. Acoustic calculations are carried out to identify the origin of triggering of these instabilities and identify to which acoustic mode, longitudinal and/or azimuthal, the self-sustained oscillations are coupled to. Perforated plates placed at different locations inside the boiler are then envisaged to damp these oscillations. The system responses are analyzed first without combustion. The analysis is then extended to include both the impact of combustion and perforations on the resulting acoustic field. Criteria are determined for each configuration for the best damper candidates.
In the third part, an analytical study completed by a numerical analysis of the acoustic response of a system composed by a plenum, an injection tube and a combustion chamber are carried out. This configuration is modeled as a system of 3 cavities with a flame at the intersection between the injection tube and the combustion chamber. Low frequency thermo-acoustic instabilities corresponding to bulk oscillations of the flow variables are investigated. They are generally associated to a Helmholtz mode of the system, but the associated cavities are rarely fully identified. A low frequency modal analysis demonstrates that bulk flow combustion instabilities taking place in these systems, are essentially controlled by the ratio of the plenum to combustion chamber volumes and by the outlet impedance of the chamber. This is also confirmed independently by a low order modeling of the system dynamics including the flame response to flow rate perturbations. Two configurations featuring intrinsically distinct dynamics when the combustion chamber can or cannot sustain an over-pressure are examined.

Résumé:
Les instabilités de combustion résultant d’un couplage thermo-acoustique sont un frein au développement de nouveaux systèmes de combustion avec des émissions polluantes réduites. Dans les systèmes au sol, elles peuvent être atténuées par des amortisseurs acoustiques. Cette thèse porte sur l’analyse des amortisseurs acoustiques pour les instabilités thermo-acoustiques par divers moyens et dans diverses applications. Le travail est divisé en trois parties. Dans une première partie, les performances d’amortissement de plaques perforées traversées par un écoulement et combinées à une cavité arrière résonante sont étudiées analytiquement et expérimentalement dans les régimes linéaire et non linéaire. Leur réponse acoustique à des ondes sonores de niveau croissant est étudiée dans une configuration dédiée pour des conditions d’écoulement froid. L’impédance de l’amortisseur est déterminée à partir de trois microphones. Un manomètre différentiel mesure également la chute de pression à travers les plaques. L’absorption acoustique est analysée pour différentes porosités des plaques. On montre que la transition du régime linéaire au régime non linéaire dépend du rapport entre la perturbation de la vitesse acoustique à l’intérieur du trou et la vitesse d’écoulement à travers la perforation. Un modèle quasi-stationnaire valable aux faibles nombres de Strouhal est développé pour déterminer la réponse des plaques en régime non linéaire. On montre que l’absorption est plus faible qu’en régime linéaire et qu’un forçage acoustique élevé entraîne une chute de pression supplémentaire à travers les plaques. Les prédictions et les mesures présentent un accord raisonnable sur la bande de fréquence de 100 Hz à 1000 Hz. Les impacts de l’épaisseur de la plaque, la répartition de deux tailles de trous différentes et un chanfrein à la sortie du trou sont également étudiés. Les modèles analytiques développés donnent un relativement bon accord avec les mesures effectuées dans les régimes linéaire et non linéaire. Dans la deuxième partie, une étude analytique est menée pour modéliser l’impact d’une plaque à trous sur le champ acoustique dans une chaudière laminaire. Premièrement, les instabilités sont détectées par des microphones autour de 1000 Hz. Des calculs acoustiques sont effectués pour identifier l’origine du déclenchement de ces instabilités et identifier à quel mode acoustique, longitudinal et/ou azimutal, sont couplées les oscillations auto-entretenues. Des plaques perforées placées à différents endroits à l’intérieur d’une chaudière générique sont alors étudiées pour amortir ces oscillations. La réponse du système est d’abord analysée sans combustion. L’analyse est ensuite étendue à l’impact de la combustion et des perforations sur le champ acoustique résultant. Des critères sont déterminés pour chaque configuration indiquant les meilleurs amortisseurs possibles. Dans la troisième partie, une étude analytique complétée par une analyse numérique de la réponse acoustique d’un système composé d’un plénum, d’un tube d’injection et d’une chambre de combustion est réalisée. Cette configuration est modélisée par un système de trois cavités avec une flamme à l’intersection entre le tube d’injection et la chambre de combustion. Les instabilités thermo-acoustiques à basse fréquence correspondant à des oscillations en bloc des variables d’écoulement sont étudiées. Elles peuvent être associées à un mode de Helmholtz dont l’origine est déterminée. Une analyse modale basse fréquence démontre que les instabilités de combustion qui se produisent dans ces systèmes sont essentiellement contrôlées par le rapport entre les volumes du plénum et de la chambre de combustion et par l’impédance de sortie de la chambre. Ceci est également confirmé indépendamment par une modélisation bas ordre de la dynamique du système.

Thèse encadrée par
Thierry SCHULLER Directeur de thèse
Benoit BÉDAT Co-directeur de thèse

Jury