Dynamique du spray et de la combustion dans une chambre de combustion de modèle de turbine à gaz de moteur à réaction

Face à des contraintes législatives plus sévères sur les émissions polluantes, les chambres de combustion aéronautiques sont plus vulnérables aux instabilités de combustion (IC). Des progrès doivent donc être réalisés pour mieux les prévenir. Elles nécessitent d’abord d’identifier les mécanismes qui conduisent à leur déclenchement. Bien que de nombreux efforts aient été consacrés à leur modélisation pour des flammes gazeuses, des études similaires pour les flammes diphasiques restent marginales. De plus, la détection des événements précurseurs des IC avec surveillance en ligne augmenterait la durée de vie des moteurs et espacerait les maintenances préventives. Cette thèse propose de poursuivre ces deux objectifs en étudiant les interactions entre le champ acoustique et la dynamique de spray et en développant des techniques alternatives pour la surveillance en ligne des IC. Appelé TALISMAN, un nouveau brûleur avec injection liquide à cône creux dans un écoulement d’air tourbillonné a été conçu et construit à cet effet. Dans la première partie du manuscrit, les interactions acoustique-spray sont examinées. Il est montré que la réponse en vitesse d’une goutte isolée aux perturbations acoustiques correspond à un filtre passe-bas du premier ordre avec une fréquence de coupure proportionnelle au nombre de Stokes. La réponse acoustique d’un spray monodisperse dans un écoulement uniforme donne lieu à des ondes de densité de gouttes. Les expressions sont dérivées de ces ondes de densité en utilisant un formalisme Euler-Euler. Ces ondes sont le résultat d’ondes acoustiques interférant avec des ondes convectives. L’influence de la dispersion des vitesses des particules sur ces ondes de densité est également étudiée par des moyens analytiques et numériques. On montre qu’une dispersion de la vitesse des particules injectées induit un ensemble d’ondes caractéristiques qui entraînent une modification de la propagation de ces ondes. Enfin, la réponse d’un spray à cône creux à des perturbations acoustiques est étudiée numériquement et expérimentalement. Les profils de vitesse de la phase gazeuse et liquide obtenus dans les simulations Euler-Lagrange sont comparés aux mesures laser à effet Doppler. Les résultats concordent étroitement pour un écoulement stationnaire. Cependant, alors que les profils de vitesse de l’air sont correctement reproduits dans un écoulement pulsé, les profils de vitesse des particules montrent de grandes différences avec les expériences en raison de l’absence de comportement dynamique pour le modèle numérique du spray à cône creux. La deuxième partie du manuscrit étudie les IC dans le brûleur TALISMAN. Une analyse thermo-acoustique est effectuée pour une configuration présentant des IC avec un modèle d’ordre réduit de la réponse acoustique du brûleur. La dynamique du système est analysée avec un réseau acoustique et une fonction de description de flamme (FDF) mesurées expérimentalement. Si l’on considère que le signal d’émission OH* de la flamme reproduit les perturbations du taux de dégagement de chaleur, la limite de basse fréquence résultante de la FDF ne peut pas être reproduite avec précision pour une flamme diphasique. Il est démontré que les fluctuations de richesse doivent être prises en compte et modélisées. Leur intégration dans la relation entre le signal OH* et le taux de dégagement de chaleur permet de mieux prédire la limite basse fréquence de la FDF. En couplant le modèle acoustique et le FDF, il prédit avec succès les IC observés dans les expériences. Enfin, la surveillance en ligne des IC est explorée en considérant le flux acoustique à l’entrée de la chambre de combustion comme un indicateur d’instabilités imminentes. Il est appliqué avec succès pour le brûleur TALISMAN et montre de meilleures performances que d’autres indicateurs couramment utilisés. Enfin, l’application de l’apprentissage profond pour prédire des IC est discutée.