Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010

Caractérisation par PIV haute cadence d’une combustion stabilisée par injection tourbillonnaire

C. Brossard, A. Vincent-Randonnier, M. Barat, P. Gicquel ONERA Chemin de la Hunière 91761 Palaiseau Cedex France

Christophe.Brossard@onera.fr Résumé La conception de nouveaux moteurs plus endurants et moins polluants pour l’aéronautique passe par la simulation numérique dont les modèles doivent être validés. L’expérience multiphysique EPICTETE, mise en œuvre au laboratoire LAERTE de l’ONERA, a pour objectif de fournir une large base de données expérimentales, constituée de mesures aérodynamiques et de mesures thermiques pariétales, pour un foyer dans lequel l’injection du carburant et la stabilisation de la combustion, assurés par un injecteur tourbillonnaire TURBOMECA, est réaliste.

Dans cet article, les premiers résultats de champs de vitesse de l’écoulement dans la chambre de combustion, mesurés par PIV haute cadence pour la configuration monophasique du foyer, en régime de diffusion (i.e. méthane injecté intégralement par le nez de l’injecteur), sont présentés. Les cas réactif et non réactif sont distingués. Un volume important de données expérimentales a pu être collecté, dont notamment des acquisitions à 10 kHz ciblées sur les couches de mélange. L’ensemble de la campagne d’essais a donc constitué un succès métrologique, en particulier pour ce type de données encore rares dans la littérature. A ces données expérimentales, actuellement en cours d’analyse, s’ajouteront à partir d’essais futurs des données complémentaires obtenues dans le cas d’une configuration diphasique (combustion kérosène/air). L’ensemble des résultats permettra de constituer une base de données de référence pour la validation de la plate-forme multiphysique CEDRE développée à l’ONERA.

1 Introduction Parmi les principales préoccupations des industriels qui conçoivent et fabriquent des moteurs pour l’aéronautique, on trouve notamment la maîtrise des flux thermiques dans les chambres de combustion. Elle a en effet un impact direct sur la durée de vie des matériaux (et donc des moteurs), mais aussi sur la quantité d’espèces polluantes, comme les NOx, les HAP ou les suies, émises par les réactions de combustion et fortement dépendantes de la température du foyer et de la richesse du mélange combustible/air. La conception de nouveaux moteurs plus endurants et moins polluants passe par la simulation numérique dont les modèles doivent être validés. Pour cela, il faut disposer de bases de données expérimentales judicieusement documentées. L’expérience multiphysique EPICTETE (Etude expérimentale des Phénomènes en Interaction en Combustion Turbulente et En présence de Transferts Energétiques), mise en œuvre au laboratoire LAERTE de l’ONERA, a pour objectif de constituer une base de données portant sur la caractérisation de phénomènes physico-chimiques qui interagissent au sein de la chambre de combustion, et ainsi de valider les plate-formes logicielles multiphysiques à caractère industriel (telle que la plate-forme CEDRE, actuellement en cours de développement à l’ONERA). Le foyer reprend le mode d’injection et de stabilisation de la combustion usuellement utilisé dans les chambres de combustion de type aéronautique [1]. L’injecteur tourbillonnaire, fourni par TURBOMECA, a la faculté de fonctionner aussi bien en monophasique (combustion méthane/air) qu’en diphasique (combustion kérosène/air). Il permet ainsi d’étudier, pour une situation de stabilisation de la combustion réaliste (en prémélange ou en diffusion), des écoulements de plus ou moins grande complexité du point de vue des phénomènes qui interagissent dans la chambre de combustion. Son fonctionnement a déjà été étudié au sein de plusieurs programmes de recherche, tant d’un point de vue expérimental que numérique [2-3]. L’expérience EPICTETE

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 permet la mesure du bilan thermique complet (convection, conduction, rayonnement) au niveau des parois de la chambre de combustion, ainsi que la mise en œuvre de diverses techniques optiques.

Dans cette étude toujours en cours de réalisation, le champ des vitesses de l’écoulement dans la chambre de combustion a été caractérisé pour la configuration monophasique du foyer, en régime de diffusion (i.e. méthane injecté intégralement par le nez de l’injecteur), par PIV haute cadence, technique déjà utilisée avec succès par d’autres laboratoires pour ce type de foyer mais à plus petite échelle [4]. Cet article présente le montage expérimental, les difficultés liées à l’ensemencement de l’écoulement en traceurs PIV, ainsi que les premiers résultats obtenus.

2 Montage expérimental Le foyer d’essais EPICTETE est représenté schématiquement sur la figure 1. Sa section carrée est de 100x100 mm, et sa longueur est d’environ 1 m. Ses parois sont refroidies par eau (jusqu’à 800 g/s sous 7 bar), ce qui permet un fonctionnement continu en combustion pendant de longues durées (plusieurs dizaines de minutes). L’air pénètre dans le foyer par un col sonique amorcé situé environ 1,5 m en amont du foyer d’essais (mair = 80 à 1000 g/s). Il peut être préchauffé (sans viciation) jusqu’à environ 650 K au moyen d’un réchauffeur comportant un foyer kérosène/air suivi d’un échangeur de chaleur. L’allumage de la flamme est assuré par une bougie haute énergie placée sur la paroi inférieure de la chambre de combustion. En sortie de foyer, un col refroidi à section variable (déplacement d’une aiguille) permet de modifier la pression dans le foyer. La pression maximale de fonctionnement est de 2 bar. Le foyer est équipé sur trois faces de hublots en silice fondue de 260 mm de longueur et 30 mm d’épaisseur. Les deux hublots verticaux offrent un accès optique latéral sur toute la hauteur du foyer, tandis que le hublot horizontal placé sur la face supérieure dans l’axe du foyer (36 mm de largeur) permet l’introduction de nappes laser verticales.

L’injecteur tourbillonnaire TURBOMECA est de conception relativement simple mais néanmoins représentative d’une configuration industrielle. Il comporte une seule vrille de géométrie simple qui entraîne l’écoulement en rotation. Il génère une flamme stabilisée par une zone de recirculation swirlée comme cela est souvent le cas dans les foyers aéronautiques, et peut fonctionner avec des combustibles gazeux ou liquides. Le combustible peut être acheminé en partie ou en totalité vers un gicleur en nez d’injecteur (conditions non-prémélangées) et vers la vrille (conditions partiellement prémélangées). L’injecteur est monté sur un support dont la conception modulaire permet de faire varier sa position dans la chambre. Les essais décrits dans cet article ont été réalisés en configuration monophasique, avec injection de méthane intégralement par le nez de l’injecteur. Le plan d’injection se situe en tout début de hublot (visualisation de la flamme sur toute la hauteur du foyer sur 250 mm en aval de ce plan, cf. figure 2). Les conditions nominales d’essais sont les suivantes : mair = 80 g/s, Tair ~ 410-425 K, richesse φ = 0,75, PFoyer = 2 bar (puissance 175 kW). Afin d’isoler l’impact de l’écoulement sortant du nez de l’injecteur, deux cas ont été étudiés pour les essais en non réactif : sans et avec injection d’air par le nez. Dans ce dernier cas, le critère de similitude retenu a été une quantité de mouvement de l’écoulement d’air injecté identique à celle de l’écoulement de méthane injecté dans le cas réactif.

Les traceurs utilisés pour les images PIV sont de fines particules - distribution granulométrique centrée sur 1 µm - d’oxyde de magnésium (MgO), oxyde métallique capable de résister à l’environnement réactif de combustion. A ces particules est ajoutée une très petite quantité de particules nanométriques d’Aerosil® (silice) afin de fluidifier le mélange et diminuer le risque d’agglomération. Les particules sont entraînées par un écoulement d’argon porteur après passage par un ensemenceur de type cyclone, puis ajoutées dans l’écoulement par un injecteur multi-trous placé à 1,125 m en amont du plan de sortie de l’injecteur. La difficulté majeure à laquelle nous avons été confrontés dans cette étude est la dégradation extrêmement rapide (quelques secondes) de la qualité des images, due au dépôt de particules sur les parois de la chambre. L’encrassement de la paroi inférieure métallique de la chambre est plus important que celui des hublots. Même si cette paroi est revêtue de peinture noire haute température, celle-ci d’une part se dégrade en milieu réactif, et d’autre part est très rapidement recouverte d’un dépôt de particules.

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 Ces particules, directement éclairées par la nappe laser, éclairent les hublots latéraux, dégradant le fond des images PIV. La faible durée d’ensemencement possible a conduit à retenir une technique PIV haute cadence afin de disposer d’un nombre d’acquisitions par essai plus large, qui aurait été limité à une dizaine pour une technique PIV classique à une cadence de quelques Hz.

Le montage optique de PIV haute cadence est visible sur la figure 3. Le système laser Quantronix Darwin-Dual se compose de deux oscillateurs Nd : YLF pompés par diodes, doublés en fréquence à 527 nm (21 mJ/pulse à 1 kHz) et pouvant chacun fonctionner à une cadence comprise entre 0,1 et 10 kHz. Deux nappes planes à bords parallèles, identiques et superposées, de largeur environ 100 mm, sont formées à l’aide d’un ensemble de 3 lentilles: une lentille cylindrique divergente de focale -60 mm, une lentille sphérique convergente de focale +1489 mm, et une lentille cylindrique convergente de focale +500 mm. Ces nappes sont introduites verticalement dans l’axe du foyer à travers le hublot supérieur par un miroir de renvoi de diamètre 100 mm. Afin de tenir compte des fortes composantes transverses de vitesse, les essais ont été réalisés en utilisant des nappes très épaissies, en travaillant en amont du point focal de la lentille sphérique. L’épaisseur des nappes varie alors entre 3 et 5 mm selon la hauteur dans la zone utile. La caméra (modèle Photron Fastcam-ultima APX-RS3000, cadence pleine résolution 3 kHz à 1024x1024 pixels) vise le plan de la nappe laser par un hublot latéral. Sa mémoire est de 8 GB, et la taille d’un pixel est de 17 µm. Le temps inter-images minimal est de 2 µs. La caméra est munie d’un objectif Sigma à focale variable 28-105 mm, utilisé à 105 mm. Les deux cavités laser et la caméra sont synchronisés par le dispositif LaVision® HighSpeed Controller (modèle HSC standard 1108075). L’acquisition et le traitement des images sont réalisés par le logiciel LaVision® DaVis 7.2.

Deux zones ont été examinées successivement dans le plan vertical axial de la chambre de combustion : de 0 à 100 mm depuis le plan de sortie de l’injecteur, puis de 80 à 180 mm. Pour la première, un intervalle de temps inter-pulses de 3 µs a été utilisé ; pour la seconde, la chute des niveaux de vitesse a conduit à utiliser une valeur plus grande égale à 9 µs.

Trois cadences d’acquisition différentes ont été choisies : 1, 0,1 et 10 kHz. La majorité des essais ont été réalisés à 1 kHz, cadence qui permet d’utiliser la pleine résolution de la caméra et correspond également à la cadence optimale des cavités laser en termes d’énergie maximale et de durée minimale des pulses laser. La durée d’une acquisition, correspondant au remplissage de la mémoire de la caméra, est alors de Δt = 3,072 s. La valeur de 0,1 kHz, cadence minimale des cavités laser, a été utilisée pour tenter de disposer, sur quelques essais, de statistiques temporelles sur des durées plus longues. La durée maximale permise par la dégradation progressive de la qualité des images liée à l’encrassement des parois est de 15 s. La valeur de 10 kHz est la cadence maximale des cavités laser. Une cadence aussi élevée impose de réduire la résolution de la caméra à 384x304 pixels : il a donc été décidé de réserver ce mode de fonctionnement à l’étude à haute résolution temporelle des couches de mélange. La durée d’acquisition (Δt = 2,7 s) reste voisine de celle obtenue pour une cadence de 1 kHz car la taille mémoire des images est beaucoup plus faible. La qualité des images enregistrées est cependant moindre : d’une part, l’énergie émise par pulse est beaucoup plus faible (environ 3 au lieu de 21 mJ/pulse), ce qui oblige à ouvrir davantage l’objectif de la caméra (f# = 2,8 au lieu de f# = 5,6) ; d’autre part, la largeur temporelle des pulses émis augmente avec la cadence, d’où un moindre figeage des images de particules.

3 Résultats Les figures 4a et 4b montrent les champs de vitesse moyenne obtenus pour le cas réactif, dans le plan axial vertical du foyer, respectivement dans la région proche de l’injecteur (0-100 mm) puis plus en aval (80-180 mm). Chaque champ moyen résulte de 3072 échantillons enregistrés à la cadence de 1 kHz. Compte tenu de la chute du niveau de vitesse de l’amont vers l’aval, deux échelles de couleur différentes ont été adoptées afin de mettre en évidence les zones remarquables de l’écoulement. C’est bien sûr dans l’écoulement sortant par les vrilles de l’injecteur que les vitesses sont les plus élevées, atteignant environ 100 m/s. La structure de l’écoulement montre une légère dissymétrie entre les parties supérieure et inférieure. Dans la partie supérieure, la vitesse maximale est légèrement plus élevée (102 contre 98 m/s), et le tourbillon de recirculation

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 est centré davantage en amont (environ 56 contre 64 mm). Les champs moyens font bien apparaître l’étendue de la zone de pénétration du jet de méthane sortant par le nez de l’injecteur, sur une distance d’environ 15 mm, ainsi que celle de la zone de recirculation en aval de l’injecteur, sur une distance d’environ 150 mm.

Les figures 5a et 5b montrent les champs de vitesse moyenne obtenus pour le cas non réactif, sans et avec - quantité de mouvement égale à celle du méthane dans le cas réactif - écoulement d’air passant par le nez de l’injecteur. Dans ce dernier cas (figure 5b), on retrouve une topologie d’écoulement assez proche de celle observée pour le cas réactif (figure 4a), avec mêmes positions des centres de structures tourbillonnaires et même distance de pénétration du jet central. En revanche, la dissymétrie de l’écoulement sortant par les vrilles de l’injecteur est davantage prononcée, avec des vitesses maximales respectivement de 97 et 87 m/s dans les parties supérieure et inférieure. La suppression du jet central d’air (figure 5a) se traduit par des niveaux de vitesse plus faibles (79 et 73 m/s dans les parties supérieure et inférieure), et deux structures tourbillonnaires supplémentaires en sortie de l’injecteur (plus forte dans la partie supérieure).

Les figures 6a et 6b représentent les champs de vitesse fluctuante (écarts-type) obtenus respectivement dans les cas réactif et non réactif (avec écoulement d’air passant par le nez de l’injecteur). Le niveau maximum de turbulence se situe au niveau des couches de mélange entre les écoulements sortant de l’injecteur (air par les vrilles, et méthane ou air par le nez central de l’injecteur) et les zones de recirculation. Les maxima se situent dans les deux cas autour de 48 m/s pour les couches de mélange des écoulements sortant par les vrilles de l’injecteur, mais le cas non réactif fait apparaître des zones de fluctuations élevées moins étendues, et là encore une dissymétrie entre les parties supérieure et inférieure plus forte que dans le cas réactif. Par ailleurs, les niveaux de fluctuation de vitesse mesurés dans la couche de mélange entre l’écoulement sortant par le nez central de l’injecteur et les zones de recirculation sont plus faibles dans le cas non réactif (maximum de 35 m/s contre 42 m/s dans le cas réactif).

La figure 7 montre trois champs de vitesse instantanés consécutifs obtenus à la cadence de 10 kHz, ciblés sur la couche de mélange, dans la partie supérieure du foyer, entre l’écoulement sortant par les vrilles de l’injecteur et la zone de recirculation. En référence, le champ moyen obtenu à cette cadence (27162 échantillons) est également représenté. Ces champs de vitesse instantanés montent que le suivi temporel de certaines structures tourbillonnaires est possible à la cadence de 10 kHz. Une étape ultérieure de l’analyse devrait permettre de quantifier ce suivi.

4 Conclusion Le champ des vitesses de l’écoulement dans le foyer EPICTETE, foyer reprenant le mode d’injection et de stabilisation de la combustion usuellement utilisé dans les chambres de combustion de type aéronautique, a été caractérisé par PIV dans les cas réactif et non réactif. Le choix d’une technique PIV haute cadence a permis de pallier en partie la faible durée de mesure due à l’encrassement rapide des parois internes de la chambre par les traceurs de l’écoulement.

Un volume important de données expérimentales a pu être collecté, dont notamment des acquisitions à 10 kHz ciblées sur les couches de mélange. L’ensemble de la campagne d’essais a donc constitué un succès métrologique, en particulier pour ce type de données encore rares dans la littérature s’agissant d’injecteurs de type industriel. A ces données expérimentales, actuellement en cours d’analyse, s’ajouteront à partir d’essais futurs des données complémentaires obtenues dans le cas d’une configuration diphasique (combustion kérosène/air). L’ensemble des résultats permettra de constituer une base de données de référence pour la validation de la plate-forme multiphysique CEDRE développée à l’ONERA.

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 Remerciements Les auteurs remercient la DGA, ainsi que la Direction Scientifique de l’ONERA, pour le soutien financier apporté à cette étude. Des remerciements tout particuliers sont également adressés à Michel Poirot, Bruno Rouxel et David Carru pour la mise en oeuvre du banc d’essais et l’installation du montage optique. Les auteurs tiennent enfin à remercier Jean-Claude Monnier et l’équipe PIV de l’ONERA Lille pour le prêt de leur caméra haute cadence.

Références [1] P. Weigand, W. Meier, X.R. Duan, W. Stricker, M. Aigner, « Investigations of swirl flames in a gas

turbine model combustor », Combustion and Flame, Vol. 144, 2006.

[2] B. Janus, A. Dreizler, J. Janicka, « Flow field and structure of swirl stabilized non-premixed natural gas flames at elevated pressure », Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 Power for Land, Sea and Air, Vienne, Autriche, 14-17 juin 2004.

[3] D. Bissières, C. Bérat, « Large Eddy Simulation predictions and validations of a gas turbine combustion chamber », Proceedings of 17th International Symposium on Airbreathing Engines (ISABE), Munich, Allemagne, paper ISABE-2005-1060, 4-9 Septembre 2005.

[4] S. Barbosa, P. Scouflaire, S. Ducruix, « PIV haute fréquence dans un foyer de type aéronautique », Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2008, Futuroscope, 16-19 septembre 2008.

Figure 1: Vue schématique du foyer EPICTETE

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010

Figure 2: Photographie de la flamme obtenue dans le foyer EPICTETE pour les conditions d’essai suivantes: mair = 80 g/s, Tair ~ 425 K, φ = 0,75, PFoyer = 2 bar

Figure 3 : Montage PIV haute cadence

(a) (b)

Figure 4 : Champs de vitesse moyenne obtenus pour le cas réactif. La couleur des vecteurs

représente leur module. Le fond des figures correspond aux réflexions du laser sur la chambre, permettant de visualiser en particulier la position de l’injecteur et des parois. a) zone amont :

0 < x < 100 mm; b) zone aval : 80 < x < 180 mm.

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010

(a) (b) Figure 6 : Comparaison des champs de vitesse fluctuante (écarts-type) obtenus pour les points de fonctionnement réactif (a), et non réactif avec écoulement d’air passant par le nez de l’injecteur (b).

(a) (b) Figure 5 : Champs de vitesse moyenne obtenus pour le cas non réactif : a) sans jet d’air ; b) avec

jet d’air en remplacement du méthane (même quantité de mouvement).

Figure 7. Champs instantanés consécutifs mesurés à 10 kHz dans la couche de mélange dans la partie supérieure du foyer, entre l’écoulement sortant par les vrilles de l’injecteur et la zone

de recirculation, et champ moyenné sur la durée totale de l’acquisition 2,7 s.