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Résumé:

Des réglementations de plus en plus strictes et un intérêt environnemental grandissant ont poussé les constructeurs de moteurs aéronautiques à développer la génération actuelle de chambre de combustion, affichant des consommations et émissions de polluants plus basses que jamais. Cependant, les phases de conception de chambres modernes ont clairement mis en évidence que celles-ci sont plus susceptibles de développer des instabilités de combustion, où le couplage entre l’acoustique de la chambre et la flamme suscite de larges oscillations de pression ainsi que des vibrations de la structure. Ces instabilités peuvent endommager le moteur, et potentiellement entraîner sa destruction. Dans le même temps, de considérables avancées ont eu lieu dans le domaine de la simulation numérique, et la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) a démontré sa capacité à reproduire la dynamique de flammes instationnaires et les instabilités de combustion observées dans les moteurs. Pourtant, même avec le matériel informatique moderne, le temps de calcul reste la contrainte clé de ces simulations haute-fidélité, qui demeurent très coûteuses. Typiquement, couvrir la totalité du domaine de fonctionnement pour un moteur industriel est encore hors de portée. Des modèles dits bas-ordre existent également, et prédire efficacement les instabilités de combustion par leur intermédiaire est envisageable à la condition d’une modélisation appropriée de l’interaction entre l’acoustique et la flamme. La méthode de modélisation la plus commune de cet élément critique est la fonction de transfert de flamme (FTF) qui lie les fluctuations de taux de dégagement de chaleur aux fluctuations de vitesse en un point donné. Cette fonction de transfert peut être obtenue à partir de modèles analytiques, mais très peu existent pour des flammes swirlées turbulentes. Une autre approche consiste à réaliser des mesures expérimentales ou des simulations haute fidélité coûteuses, réduisant à néant la capacité de prédiction rapide recherchée avec les méthodes bas-ordre. Cette thèse vise donc à développer des outils bas ordre à la fois rapides et fiables pour la modélisation des instabilités de combustion, ainsi qu’à améliorer la compréhension des mécanismes inhérents à la réponse acoustique d’une flamme swirlée. A cet effet, une approche hybride nouvelle est proposée, où un nombre réduit de simulations haute fidélité peut être utilisé pour déterminer les paramètres d’entrée d’un modèle analytique représentatif de la fonction de transfert d’une flamme swirlée prémélangée. Le modèle analytique s’appuie sur des travaux antérieurs traitant la flamme comme une interface perturbée, et prend en compte la conversion acoustique-vorticité à travers un swirler. La validité du modèle est mise à l’épreuve en déterminant les divers paramètres nécessaires associés à partir de simulations numériques réactives stationnaires et pulsées d’une flamme prémélangée swirlée académique. Il est également démontré que le modèle peut prendre en compte diverses amplitudes de perturbation. Enfin, des simulations haute-fidélité 3D d’une turbine à gaz industrielle alimentée par un combustible liquide sont réalisées afin de déterminer s’il est possible de prédire numériquement un mode d’instabilité de combustion observé lors des essais. Pour cela, un ensemble de simulations forcées est mené à bien afin de souligner l’importance de l’acquisition de la réponse de la flamme diphasique, en comparant les positions de référence utilisées pour mesurer les vitesses fluctuantes ainsi que l’amplitude et l’origine de la perturbation acoustique. L’applicabilité du modèle analytique à ce cas complexe est aussi étudiée. Les résultats montrent que l’analyse acoustique proposée prédit bien la présence d’un mode instable, mais que le modèle bas ordre nécessite davantage de développements pour étendre son domaine de validité présumé.

Mots clés: Combustion, instabilités, simulation numérique, acoustique, turbine à gaz

Jury: