Response of premixed flames to pressure oscillations
Réponse de flammes de prémélange à des oscillations de pression
Résumé
Among the many mechanisms that can contribute to a thermoacoustic instability, the direct effect of acoustic pressure on the internal structure of a flame front has been investigated analytically, but has never been studied experimentally. The objective of the present work is to perform such an experimental study. The existing theoretical analyses were performed in the framework of a simplified flame model with a single step global reaction. They provide an evaluation of the amplitude of the frequency dependant flame response in terms of the unsteady mass consumption rate, and also the unsteady heat release rate. We have designed a novel apparatus in which laminar premixed flames of methane and propane are maintained perfectly planar by parametric stabilisation, and subjected to a pure acoustic pressure oscillation of variable frequency. The unsteady flame response is measured using the chemiluminescence of the excited OH* radical, supposed, a priori, to be proportional to the reaction rate. The measurements confirm the existence of a direct effect of pressure oscillations on the unsteady intensity of chemiluminescence, but do not reproduce the tendencies predicted analytically, particularly at high values of the reduced frequency. We have performed an experimental and numerical investigation of the relation between the intensity of OH* emission and the mass consumption rate of a steady flame, with the objective of obtaining a correction to the experimental results. However the correction thus obtained increases the disagreement between theory and experiment. These results have led to a new theoretical analysis, based on more complex flame models, which shows that the chemical kinetic model can have a strong influence on the unsteady response of flames to acoustic pressure oscillations. A better agreement is obtained between our measurements and the analytical prediction for the unsteady heat release rate.
Parmi les mécanismes susceptibles de contribuer à une instabilité thermoacoustique, l'effet direct de la pression acoustique sur la structure interne d'une flamme a été étudié analytiquement, mais n'a jamais été mesuré. L'objectif de ce travail est de présenter une étude expérimentale de la réponse de flamme à une sollicitation acoustique. Les analyses théoriques existant dans la littérature ont été réalisées dans le cadre d'un modèle de flamme simplifié, avec une réaction globale à une étape. Elles fournissent une évaluation de la réponse de flamme en termes de consommation massique instationnaire, ainsi qu'en termes de taux de dégagement de chaleur. Nous avons conçu et réalisé un dispositif expérimental unique dans lequel des flammes laminaires prémélangées de méthane et de propane sont maintenues parfaitement planes par stabilisation paramétrique, et excitées par une oscillation de pression à fréquence variable. La réponse instationnaire de la flamme est mesurée par la chimiluminescence du radical excité OH*, supposée, a priori, proportionnelle au taux de réaction. Les mesures confirment l'existence d'un effet direct de la pression sur l'intensité instantanée de l'émission OH*, mais ne reproduisent pas les tendances prévues par l'analyse, en particulier pour les grandes valeurs de la fréquence réduite. Une étude numérique et expérimentale de la relation entre l'intensité de chimiluminescence de OH* et le taux de consommation massique d'une flamme stationnaire a été réalisée, avec l'objectif de corriger nos mesures. Cependant, le résultat de cette étude ne fait qu'aggraver le désaccord avec les prévisions analytiques. Ces résultats ont suscité une nouvelle analyse théorique, basée sur des modèles de flamme plus complexes, qui montre que le modèle de cinétique chimique peut fortement influencer la réponse instationnaire d'une flamme à des oscillations de pression acoustique. Le meilleur accord avec nos résultats expérimentaux est obtenu pour le taux de dégagement de chaleur instationnaire.