Experiments and numerical simulations of interactions between transverse acoustic modes and cryogenic flames
Expérimentations et simulations numériques des interactions entre modes acoustiques transverses et flammes cryotechniques
Abstract
The general objective of this research is to contribute to the understanding of fundamental mechanisms leading to high frequency instabilities in liquid rocket engines. The process involves a tight coupling between combustion and transverse acoustic modes of the thrust chamber. This problem is investigated with a combination of experimental, numerical and modeling tools. Experiments are carried out on a model scale combustor comprising multiple coaxial injection units placed in a row and fed with liquid oxygen and gaseous methane. This experiment recreates some of the conditions prevailing in liquid rocket engines. The combustor was designed to allow a clear separation between the longitudinal and tranverse resonant modes. It is equipped with large windows providing optical access to the flames and with pressure transducers detecting fluctuations of this quantity in the chamber and in the propellant injection manifold. A toothed wheel modulator is used to periodically block an auxiliary nozzle and inject acoustic perturbations in the system. Digital imaging techniques are used to examine the flame dynamics. Systematic hot fire tests have been carried out at low (0.9 MPa), intermediate (3 MPa) and high pressure (6 MPa) to determine conditions where the flame is the most receptive to transverse acoustic modulations. A remarkable level of response was observed in the low pressure experiments. The level of oscillation was in that case around 8 \% of the mean pressure. The flame is strongly modified when the coupling takes place with the first transverse mode of the cavity, its spreading rate is augmented and its luminosity is increased. An intriguing reduction of the axial convection velocity is also observed with the high speed camera. Phase relations established between the pressure perturbations and the heat release in the chamber indicate that these two quantities feature similar spatial distributions. The intermediate pressure experiments carried out with a new injection head comprising 5 injectors at a higher rate of heat release indicate that the sharpness of resonance is reduced and that this can be attributed to a more intense level of temperature fluctuations in the system. Cold flow experiments were also carried out to examine the motion of injected streams of liquid oxygen and gaseous nitrogen when they are submitted to a resonant transverse acoustic excitation.
These experiments are complemented with numerical calculations carried out in the large eddy simulation (LES) framework. LES is used to examine the motion of multiple cold jets submitted to a transverse modulation. The oscillation induces a collective motion and mixing is intensified. A model is developed to represent the filtered rate of burning allowing a description of nonpremixed flames controlling cryogenic combustion. Initial calculations are carried out in a realistic multiple injector configuration fed with gaseous reactants. Two problems are envisaged on the modeling level. The first aims at describing how heat release fluctuations can be generated by tranverse velocity perturbations. An expression is devised which depends on the transverse velocity perturbation and on the sign of its gradient and its consequences are investigated. It is shown in particular that the model retrieves the pattern of heat release observed in some early experiments. The second model deals with the influence of temperature fluctuations on the resonance characteristics of a system. Direct simulation and analysis based on the method of averaging indicates that the response amplitude and the resonance sharpness are diminished in the presence of fluctuations, a phenomenon which seems to have been overlooked in the past but may have practical consequences. The knowledge gathered in these studies is intended to provide guidelines for further developments of computational tools aimed at the prediction of instabilities. It can also serve to develop design methods which would avoid the phenomenon.
These experiments are complemented with numerical calculations carried out in the large eddy simulation (LES) framework. LES is used to examine the motion of multiple cold jets submitted to a transverse modulation. The oscillation induces a collective motion and mixing is intensified. A model is developed to represent the filtered rate of burning allowing a description of nonpremixed flames controlling cryogenic combustion. Initial calculations are carried out in a realistic multiple injector configuration fed with gaseous reactants. Two problems are envisaged on the modeling level. The first aims at describing how heat release fluctuations can be generated by tranverse velocity perturbations. An expression is devised which depends on the transverse velocity perturbation and on the sign of its gradient and its consequences are investigated. It is shown in particular that the model retrieves the pattern of heat release observed in some early experiments. The second model deals with the influence of temperature fluctuations on the resonance characteristics of a system. Direct simulation and analysis based on the method of averaging indicates that the response amplitude and the resonance sharpness are diminished in the presence of fluctuations, a phenomenon which seems to have been overlooked in the past but may have practical consequences. The knowledge gathered in these studies is intended to provide guidelines for further developments of computational tools aimed at the prediction of instabilities. It can also serve to develop design methods which would avoid the phenomenon.
L'objectif général de cette recherche est de contribuer à la compréhension des mécanismes fondamentaux conduisant à des instabilités de combustion dans les moteurs fusées à propulsion liquides.
Le processus implique un couplage fort entre la combustion et les modes acoustiques transverses de la chambre. Le problème est analysé au moyen d'une combinaison d'outils expérimentaux, numériques et de modélisation.
Les expériences sont réalisées sur une chambre équipée de plusieurs injecteurs coaxiaux placés en ligne et alimentés en oxygène liquide et méthane gazeux. On recrée ainsi au moins partiellement les conditions qui prévalent dans les moteurs fusées.
Le système a été conçu pour permettre une nette séparation entre les fréquences des modes longitudinaux et transverses. Le foyer est équipé de hublots donnant un accès optique à la zone de flamme et de capteurs de pression détectant les fluctuations de cette variable dans la chambre et dans le circuit d'alimentation en ergols. Un modulateur comportant une roue dentée tournant à grande vitesse et bloquant de façon périodique une tuyère auxiliaire permet d'injecter des perturbations acoustiques dans le système.
Des méthodes d'imagerie numérique sont utilisées pour examiner la dynamique des flammes. Des essais systèmatiques ont été réalisés à basse (0.9 MPa), moyenne (3 MPa) et haute pression (6 MPa) pour déterminer les conditions dans lesquelles la flamme est la plus sensible aux modulations acoustiques transverses. Un niveau de réponse remarquable a été observé dans les expériences à basse pression. Le niveau d'oscillation était dans ce cas de 8\% de la pression moyenne. La flamme est fortement modifiée lorsque le couplage est réalisé avec le premier mode acoustique transverse, son taux d'expansion est augmenté et la luminosité s'accroît sensiblement. La vitesse de convection des structures émissives observées par caméra rapide montre une réduction assez surprenante. Les relations de phase établies entre les preturbations de pression et de dégagement de chaleur dans la chambre montrent que ces deux quantités sont caractérisées par des distributions spatiales assez semblables. Les essais à pression intermédiaire réalisés avec un nouveau dispositif comportant 5 injecteurs induisant un dégagement de chaleur plus important montrent que la résonance est moins marquée, un phénomène qui est lié à un niveau de fluctuations de température plus élévé dans les nouvelles conditions de ces essais. Des expériences sont menées à froid par injection d'oxygène liquide et d'azote gazeux pour examiner le mouvement induit par une excitation acoustique transverse. Ces expériences sont complétées par des calculs numériques réalisés dans le cadre des simulations aux grandes échelles (SGE). Ces méthodes sont utilisées pour analyser le mouvement de jets coaxiaux en présence d'une modulation acoustique transverse imposée dans le domaine de calcul. L'oscillation induit un mouvement collectif et le mélange est intensifié.
Un modèle est développé pour le taux de réaction filtré permettant une description des flammes non prémélangées contrôlant la combustion cryotechnique. Des calculs initiaux sont effectués dans une configuration réaliste d'injecteurs multiples, alimentés en ergols gazeux.
Deux problèmes sont envisagés au niveau de la modélisation. Le premier traite de la relation entre les fluctuations de dégagement de chaleur et les perturbations de vitesse transverses. Une expression est proposée qui dépend de ces perturbations et du signe du gradient de vitesse transverse. Les conséquences de ce modèle sont examinées et il est notamment montré que l'on peut retrouver la structure du dégagement de chaleur observée dans des travaux antérieurs.
Le second modèle traite de l'influence de fluctuations de température sur les caractéristiques de résonance d'un système. La simulation directe et une analyse fondée sur la méthode des moyennes indique que l'amplitude de la résonance et la finesse de la réponse sont diminuées en présence de fluctuations, un phénomène qui semble avoir été négligé mais qui peut avoir des conséquences pratiques.
Les connaissances acquises dans ces études peuvent servir de guide à des développements de méthodes de calcul destinées à prévoir les instabilités. Elles peuvent aussi servir à développer des méthodes de conception permettant d'éviter le phénomène.
Le processus implique un couplage fort entre la combustion et les modes acoustiques transverses de la chambre. Le problème est analysé au moyen d'une combinaison d'outils expérimentaux, numériques et de modélisation.
Les expériences sont réalisées sur une chambre équipée de plusieurs injecteurs coaxiaux placés en ligne et alimentés en oxygène liquide et méthane gazeux. On recrée ainsi au moins partiellement les conditions qui prévalent dans les moteurs fusées.
Le système a été conçu pour permettre une nette séparation entre les fréquences des modes longitudinaux et transverses. Le foyer est équipé de hublots donnant un accès optique à la zone de flamme et de capteurs de pression détectant les fluctuations de cette variable dans la chambre et dans le circuit d'alimentation en ergols. Un modulateur comportant une roue dentée tournant à grande vitesse et bloquant de façon périodique une tuyère auxiliaire permet d'injecter des perturbations acoustiques dans le système.
Des méthodes d'imagerie numérique sont utilisées pour examiner la dynamique des flammes. Des essais systèmatiques ont été réalisés à basse (0.9 MPa), moyenne (3 MPa) et haute pression (6 MPa) pour déterminer les conditions dans lesquelles la flamme est la plus sensible aux modulations acoustiques transverses. Un niveau de réponse remarquable a été observé dans les expériences à basse pression. Le niveau d'oscillation était dans ce cas de 8\% de la pression moyenne. La flamme est fortement modifiée lorsque le couplage est réalisé avec le premier mode acoustique transverse, son taux d'expansion est augmenté et la luminosité s'accroît sensiblement. La vitesse de convection des structures émissives observées par caméra rapide montre une réduction assez surprenante. Les relations de phase établies entre les preturbations de pression et de dégagement de chaleur dans la chambre montrent que ces deux quantités sont caractérisées par des distributions spatiales assez semblables. Les essais à pression intermédiaire réalisés avec un nouveau dispositif comportant 5 injecteurs induisant un dégagement de chaleur plus important montrent que la résonance est moins marquée, un phénomène qui est lié à un niveau de fluctuations de température plus élévé dans les nouvelles conditions de ces essais. Des expériences sont menées à froid par injection d'oxygène liquide et d'azote gazeux pour examiner le mouvement induit par une excitation acoustique transverse. Ces expériences sont complétées par des calculs numériques réalisés dans le cadre des simulations aux grandes échelles (SGE). Ces méthodes sont utilisées pour analyser le mouvement de jets coaxiaux en présence d'une modulation acoustique transverse imposée dans le domaine de calcul. L'oscillation induit un mouvement collectif et le mélange est intensifié.
Un modèle est développé pour le taux de réaction filtré permettant une description des flammes non prémélangées contrôlant la combustion cryotechnique. Des calculs initiaux sont effectués dans une configuration réaliste d'injecteurs multiples, alimentés en ergols gazeux.
Deux problèmes sont envisagés au niveau de la modélisation. Le premier traite de la relation entre les fluctuations de dégagement de chaleur et les perturbations de vitesse transverses. Une expression est proposée qui dépend de ces perturbations et du signe du gradient de vitesse transverse. Les conséquences de ce modèle sont examinées et il est notamment montré que l'on peut retrouver la structure du dégagement de chaleur observée dans des travaux antérieurs.
Le second modèle traite de l'influence de fluctuations de température sur les caractéristiques de résonance d'un système. La simulation directe et une analyse fondée sur la méthode des moyennes indique que l'amplitude de la résonance et la finesse de la réponse sont diminuées en présence de fluctuations, un phénomène qui semble avoir été négligé mais qui peut avoir des conséquences pratiques.
Les connaissances acquises dans ces études peuvent servir de guide à des développements de méthodes de calcul destinées à prévoir les instabilités. Elles peuvent aussi servir à développer des méthodes de conception permettant d'éviter le phénomène.
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