Instabilité de combustion - Combustion instability

Les instabilités de combustion sont des phénomènes physiques se produisant dans un écoulement réactif (par exemple, une flamme ) dans lequel certaines perturbations, même très petites, se développent puis deviennent suffisamment importantes pour modifier les caractéristiques de l'écoulement d'une manière particulière.

Carte de stabilité d'une chambre de combustion hypothétique. Cette chambre de combustion fonctionne dans des conditions dans lesquelles aucune instabilité de combustion dangereuse ne se produira.

Dans de nombreux cas pratiques, l'apparition d'instabilités de combustion est indésirable. Par exemple, les instabilités thermoacoustiques représentent un risque majeur pour les turbines à gaz et les moteurs de fusée . De plus, le soufflage de la flamme d'un moteur à turbine à gaz aéronautique en plein vol est clairement dangereux (voir extinction ).

En raison de ces risques, le processus de conception technique des moteurs implique la détermination d'une carte de stabilité (voir figure). Ce processus identifie une région d'instabilité de combustion et tente soit d'éliminer cette région, soit d'en éloigner la région de fonctionnement. C'est un processus itératif très coûteux. Par exemple, les nombreux tests nécessaires pour développer des moteurs-fusées sont en grande partie dus à la nécessité d'éliminer ou de réduire l'impact des instabilités de combustion thermoacoustique.

Classification des instabilités de combustion

Dans les applications orientées vers les moteurs, l'instabilité de la combustion a été classée en trois catégories, pas entièrement distinctes. Cette classification a été introduite pour la première fois par Marcel Barrère et Forman A. Williams en 1969. Les trois catégories sont

• Instabilités de chambre - instabilités résultant de la survenue d'une combustion à l'intérieur d'une chambre (instabilités acoustiques, instabilités de choc, instabilités de dynamique des fluides associées à la chambre, etc.,)
• Instabilités intrinsèques - instabilités survenant indépendamment du fait que la combustion se produise ou non à l'intérieur d'une chambre (instabilités chimico-cinétiques, instabilités diffusives-thermiques, instabilités hydrodynamiques, etc.)
• Instabilités du système - instabilités résultant de l'interaction entre les processus de combustion dans la chambre et n'importe où ailleurs dans le système (interactions alimentation-système, interactions échappement-système, etc.)

Instabilités de combustion thermoacoustique

Dans ce type d'instabilités, les perturbations qui se développent et modifient les caractéristiques de l'écoulement sont de nature acoustique . Leurs oscillations de pression associées peuvent avoir des fréquences bien définies avec des amplitudes suffisamment élevées pour présenter un risque sérieux pour les systèmes de combustion. Par exemple, dans les moteurs-fusées, tels que le moteur - fusée Rocketdyne F-1 du programme Saturn V , les instabilités peuvent entraîner des dommages massifs de la chambre de combustion et des composants environnants (voir moteurs-fusées ). De plus, les instabilités sont connues pour détruire les composants des moteurs à turbine à gaz pendant les essais. Ils représentent un danger pour tout type de système de combustion.

Les instabilités de combustion thermoacoustique peuvent être expliquées en distinguant les processus physiques suivants:

• la rétroaction entre les fluctuations de dégagement de chaleur (ou les fluctuations de flamme) avec l'acoustique de la chambre de combustion ou de la chambre de combustion
• le couplage de ces deux processus dans l'espace-temps
• la force de ce couplage par rapport aux pertes acoustiques
• les mécanismes physiques à l'origine des fluctuations de dégagement de chaleur

L'exemple le plus simple d'une instabilité de combustion thermoacoustique est peut-être celui qui se produit dans un tube de Rijke horizontal (voir aussi thermoacoustique ): considérons l'écoulement à travers un tube horizontal ouvert aux deux extrémités, dans lequel une flamme plate se trouve à une distance d'un quart du tube longueur à partir de l'extrémité la plus à gauche. De la même manière qu'un tuyau d'orgue , les ondes acoustiques montent et descendent le tube, produisant un modèle particulier d' ondes stationnaires . Un tel motif se forme également dans les chambres de combustion réelles, mais prend une forme plus complexe. Les ondes acoustiques perturbent la flamme. À son tour, la flamme affecte l'acoustique. Cette rétroaction entre les ondes acoustiques dans la chambre de combustion et les fluctuations de dégagement de chaleur de la flamme est une caractéristique des instabilités de combustion thermoacoustique. Il est généralement représenté par un schéma fonctionnel (voir figure). Dans certaines conditions, les perturbations vont augmenter puis se saturer, produisant un bruit particulier. En fait, on dit que la flamme d'un tube Rijke chante.

Instabilités de combustion représentées par un schéma fonctionnel comme amplificateur de rétroaction

Les conditions dans lesquelles les perturbations vont croître sont données par le critère de Rayleigh ( John William Strutt, 3e baron Rayleigh ): des instabilités de combustion thermoacoustique se produiront si l'intégrale de volume de la corrélation des fluctuations de pression et de dégagement de chaleur sur l'ensemble du tube est supérieure à zéro ( voir aussi thermoacoustique ). En d'autres termes, des instabilités se produiront si les fluctuations de dégagement de chaleur sont couplées aux fluctuations de pression acoustique dans l'espace-temps (voir figure). Cependant, cette condition n'est pas suffisante pour que l'instabilité se produise.

Instabilités de combustion thermoacoustique se produisant dans une chambre de combustion stabilisée à la flamme à corps bluff. Les régions sombres indiquaient une forte libération de chaleur et de grandes déformations indiquaient une pression élevée. Notez que chaque fois et partout où de grandes déformations se produisent, des zones sombres sont visibles. C'est le couplage caractéristique de la pression et du dégagement de chaleur observé dans les instabilités de combustion thermoacoustique.

Une autre condition nécessaire à l'établissement d'une instabilité de combustion est que le pilotage de l'instabilité à partir du couplage ci-dessus doit être supérieur à la somme des pertes acoustiques. Ces pertes se produisent à travers les limites du tube ou sont dues à une dissipation visqueuse .

La combinaison des deux conditions ci-dessus, et par souci de simplicité en supposant ici de petites fluctuations et un écoulement non visqueux , conduit au critère de Rayleigh étendu. Mathématiquement, ce critère est donné par l'inégalité suivante:

${\ displaystyle \ int _ {0} ^ {T} \ int _ {V} p'q'dVdt> \ int _ {0} ^ {T} \ int _ {S} p '\ mathbf {u'} \ cdot \ mathbf {n} dSdt.}$

Ici p 'représente les fluctuations de pression, q' les fluctuations de dégagement de chaleur, les fluctuations de vitesse, T est un intervalle de temps suffisamment long, V désigne le volume, la surface S et est une normale aux limites de la surface. Le côté gauche indique le couplage entre les fluctuations de dégagement de chaleur et les fluctuations de pression acoustique, et le côté droit représente la perte d'énergie acoustique aux limites du tube. ${\ displaystyle \ mathbf {u '}}$${\ displaystyle \ mathbf {n}}$

Représentation graphique du critère de Rayleigh étendu pour une chambre de combustion montrant une région où les gains dépassent les pertes et la réponse de la chambre de combustion est forte. Cela suggère une forte probabilité d'avoir une instabilité de combustion. Ce chiffre est adapté de.

Graphiquement, pour une chambre de combustion particulière, le critère de Rayleigh étendu est représenté sur la figure de droite en fonction de la fréquence. Le côté gauche de l'inégalité ci-dessus est appelé gains et le côté droit des pertes. Notez qu'il y a une région où les gains dépassent les pertes. En d'autres termes, l'inégalité ci-dessus est satisfaite. De plus, notez que dans cette région, la réponse de la chambre de combustion aux fluctuations acoustiques culmine. Ainsi, la probabilité d'une instabilité de combustion dans cette région est élevée, ce qui en fait une région à éviter dans le fonctionnement de la chambre de combustion. Cette représentation graphique d'une chambre de combustion hypothétique permet de regrouper trois méthodes pour éviter les instabilités de combustion: augmenter les pertes; réduire les gains; ou éloignez la réponse maximale de la chambre de combustion de la région où les gains dépassent les pertes.

Pour clarifier davantage le rôle du couplage entre les fluctuations de dégagement de chaleur et les fluctuations de pression dans la production et la conduite d'une instabilité, il est utile de faire une comparaison avec le fonctionnement d'un moteur à combustion interne (ICE). Dans un ICE, une efficacité thermique plus élevée est obtenue en libérant la chaleur par combustion à une pression plus élevée. De même, un entraînement plus fort d'une instabilité de combustion se produit lorsque la chaleur est libérée à une pression plus élevée. Mais alors que le dégagement de chaleur élevé et la haute pression coïncident (grosso modo) dans toute la chambre de combustion d'un ICE, ils coïncident dans une ou plusieurs régions particulières pendant une instabilité de combustion. En outre, alors que dans un ICE la haute pression est obtenue par compression mécanique avec un piston ou un compresseur , dans une instabilité de combustion, des régions à haute pression se forment lorsqu'une onde acoustique stationnaire est formée.

Les mécanismes physiques produisant les fluctuations de dégagement de chaleur ci-dessus sont nombreux. Néanmoins, ils peuvent être grossièrement divisés en trois groupes: les fluctuations de dégagement de chaleur dues aux inhomogénéités du mélange; ceux dus aux instabilités hydrodynamiques; et ceux dus à des instabilités de combustion statique. Pour visualiser les fluctuations de dégagement de chaleur dues aux inhomogénéités du mélange, considérons un flux pulsé de combustible gazeux en amont d'un accroche-flammes. Un tel flux pulsé peut bien être produit par des oscillations acoustiques dans la chambre de combustion couplées au système d'alimentation en carburant. De nombreuses autres causes sont possibles. Le carburant se mélange à l'air ambiant de manière à ce qu'un mélange inhomogène atteigne la flamme, par exemple, les gouttes de carburant et d'air qui atteignent la flamme pourraient alterner entre riche et pauvre. En conséquence, des fluctuations de dégagement de chaleur se produisent. Les fluctuations de dégagement de chaleur produites par les instabilités hydrodynamiques se produisent, par exemple, dans les chambres de combustion stabilisées à corps bluff lorsque les tourbillons interagissent avec la flamme (voir figure précédente). Enfin, les fluctuations de dégagement de chaleur dues aux instabilités statiques sont liées aux mécanismes expliqués dans la section suivante.

Instabilité statique ou soufflage de flamme

Flamme d'une chambre de combustion académique prémélangée stabilisée par tourbillon en cours de soufflage. Le flux est de droite à gauche. Le rapport air-carburant est diminué. Cela fait que la flamme change de forme, puis devient instable et finit par souffler.

L'instabilité statique ou le soufflage de la flamme se réfèrent à des phénomènes impliquant l'interaction entre la composition chimique du mélange combustible-comburant et l'environnement d'écoulement de la flamme. Pour expliquer ces phénomènes, considérons une flamme stabilisée par tourbillon, comme dans une chambre de combustion de turbine à gaz , ou avec un corps de bluff . De plus, disons que la composition chimique et les conditions d'écoulement sont telles que la flamme brûle vigoureusement, et que la première est déterminée par le rapport combustible-comburant (voir le rapport air-combustible ) et la seconde par la vitesse à venir. Pour une vitesse d'approche fixe, la diminution du rapport combustible-oxydant fait changer la forme de la flamme et, en la diminuant davantage, la flamme oscille ou se déplace par intermittence. En pratique, ce sont des conditions indésirables. Une diminution supplémentaire du rapport combustible-oxydant fait exploser la flamme. Il s'agit clairement d'un échec opérationnel. Pour un rapport combustible-comburant fixe, l'augmentation de la vitesse d'arrivée fait que la flamme se comporte d'une manière similaire à celle qui vient d'être décrite.

Courbe en forme de S résultant de la solution d'un modèle de réacteur homogène représentant une flamme.

Même si les processus qui viennent d'être décrits sont étudiés avec des expériences ou avec la dynamique des fluides computationnelle , il est instructif de les expliquer avec une analyse plus simple. Dans cette analyse, l'interaction de la flamme avec l'environnement d'écoulement est modélisée comme un réacteur chimique parfaitement mélangé . Avec ce modèle, le paramètre déterminant est le rapport entre une échelle de temps d'écoulement (ou temps de séjour dans le réacteur) et une échelle de temps chimique, et la clé observable est la température maximale du réacteur. La relation entre paramètre et observable est donnée par la courbe dite en forme de S (voir figure). Cette courbe résulte de la solution des équations gouvernantes du modèle de réacteur. Il a trois branches: une branche supérieure dans laquelle la flamme brûle vigoureusement, c'est-à-dire qu'elle est "stable"; une branche médiane dans laquelle la flamme est "instable" (la probabilité que les solutions des équations du modèle de réacteur soient dans cette branche instable est faible); et une branche inférieure dans laquelle il n'y a pas de flamme mais un mélange combustible-comburant froid. La diminution du rapport combustible-comburant ou l'augmentation de la vitesse d'arrivée mentionnée ci-dessus correspond à une diminution du rapport des échelles de temps d'écoulement et chimiques. Cela correspond à son tour à un mouvement vers la gauche dans la courbe en forme de S. De cette manière, une flamme qui brûle vigoureusement est représentée par la branche supérieure, et son soufflage est le mouvement vers la gauche le long de cette branche vers le point d'extinction Q.Une fois ce point passé, la flamme entre dans la branche médiane, devenant ainsi "instable", ou s'envole. C'est ainsi que ce modèle simple capture qualitativement le comportement plus complexe expliqué dans l'exemple ci-dessus d'un tourbillon ou d'une flamme stabilisée à corps bluffé.

Instabilités intrinsèques de la flamme

Contrairement aux instabilités de combustion thermoacoustique, où le rôle de l'acoustique est dominant, les instabilités intrinsèques de flamme se réfèrent aux instabilités produites par diffusion différentielle et préférentielle, dilatation thermique, flottabilité et pertes de chaleur. Des exemples de ces instabilités comprennent l'instabilité de Darrieus – Landau , l' instabilité de Rayleigh-Taylor et les instabilités thermo-diffusives (voir Double convection diffusive ).

Les références