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Ecole Centrale Paris (01/07/2010), Thierry Schuller (Dir.)
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Experimental analysis of the dynamics of gaseous and two-phase counterflow flames submitted to upstream modulations
Patrick Duchaine1

La conception de chambres de combustion de nouvelles génération moins polluanteset fonctionnant sur des plages de stabilité plus grandes nécessite unemeilleure connaissance et modélisation de la dynamique de la combustion.De nombreux systèmes sont alimentés avec des carburants liquides atomisésqui interagissent avec des grandes structures de l'écoulement d'air puis avecle front de flamme. Il existe cependant peu de données qui permettent devalider les outils de simulation dans des configurations mettant en jeu desflammes en interaction avec des structures contrôlées pour des écoulementspolyphasiques.Certaines de ces interactions fondamentales sont étudiées dans ce travail pourdes écoulements laminaires soumis à des modulations de vitesse. Les configurationsexpérimentales correspondent à des flammes à contre-courant et à desjets inertes libres, avec une injection de combustible liquide vaporisé ou sousla forme de sprays polydisperses. Ces écoulements peuvent être soumis à desmodulations de vitesse de manière à reproduire les effets d'instationnarité. Enfonction de la fréquence de la pulsation, des tourbillons de tailles contrôléessont générés à la sortie des brûleurs et sont convectés par l'écoulement. Ilsinteragissent avec le spray de combustible ou la flamme.Une première partie de la thèse vise à caractériser la dynamique de flammesprémélangées dans des écoulements à point d'arrêt pour des combustiblesgazeux. L'étude se concentre tout particulièrement sur l'interaction de structurestourbillonnaires avec une flamme plane. Différentes réponses de la flammesont identifiées et analysées en fonction de la taille des tourbillons générés.Deux régimes de propagation des perturbations de vitesse sont mis en évidencecorrespondant à une oscillation en bloc de la zone de combustion ou àdes perturbations limitées à la périphérie du front de flamme. Ces constatationsremettent en cause le choix des conditions aux limites à imposer dans lessimulations numériques unidimensionnelles de ces configurations. Des comparaisonsentre des prévisions numériques et des mesures du champ de vitessesupportent nos conclusions. L'analyse de la réponse de ces flammes est ensuitepoursuivie par la détermination de leurs fonctions de transfert entre le dégagementde chaleur et les perturbations vitesses imposées à la sortie du brûleur.Ces mesures basées sur l'étude du signal de chimiluminescence rayonné par laflamme mettent à nouveau en évidence une différence de comportement entrela région restreinte au centre de l'écoulement à point d'arrêt et le comportementglobal de l'ensemble de la zone de combustion. Ces configurations sontensuite utilisées pour identifier les mécanismes de production de bruit par desflammes parfaitement et partiellement prémélangées.La deuxième partie des travaux est dédiée à la caractérisation de la réponseà des tourbillons d'un spray dilué convecté par un jet inerte ou d'un spraycombustible alimentant une flamme plane de diffusion dans un écoulement àcontre-courant lorsqu'ils interagissent avec des tourbillons. L'originalité dutravail repose sur l'utilisation combinée de diagnostics optiques avancés pourcaractériser la dynamique de la phase gazeuse et de la phase dispersée, ainsique leurs interactions par une prise d'images en moyenne conditionnée à différentsinstants du cycle de modulation. La distribution de la vapeur de carburantinjecté dans les phases gazeuses et liquides est notamment caractériséegrâce à la Fluorescence Exciplex Induite par Laser (LIEF). La distributionde vitesse et la granulométrie des gouttelettes du spray sont déterminées localementpar effet Doppler (PDA) et dans un plan par Interférométrie par Imageriede Particules (IPI). Ces diagnostics sont complétés par l'utilisation de laVélocimétrie Laser Doppler (LDV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV) pour déterminer la réponse de la phase gazeuse de ces écoulements.Les acquisitions aux différents instants du cycle permettent de mettre en évidenceles interactions entre les différentes phases et constituent une base dedonnées pour envisager la simulat
1:  EM2C - Laboratoire d'Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
Flamme à contre-courant – Écoulement diphasique – Dynamique de flamme

Analyse expérimentale de la dynamique de flammes à contre-courant soumises à des modulations de vitesse dans des écoulements gazeux et diphasiques
Ion fine de ces écoulements.
Counterflow flame – Two-phase flow – Flame dynamics

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