Réponse de la dynamique d’une flamme prémélangée à des modes acoustiques transverses

This study concerns combustion instabilities. It analyzes the dynamics of flames submited to an azimuthal acoustic perturbation and its driving mechanisms. For that purpose, an inverted conical laminar premixed flame is placed at different positions in a standing transverse acoustic field from middle to high frequencies f0.The fluidic system behavior has been classified in the basins of influence of three antinodes : acoustic pressure (VP), acoustic intensity (VI) and acoustic velocity (VV). The acoustic pressure of the field imposes a mode conversion from the transverse wave to a longitudinal wave at the burner exit, the amplitude of which, slowly decreasing from VP to VI, strongly diminishes from VI to VV where pressure effects are residual. The jet adaptation to the fluctuating pressure environment produces vortices at the burner exit and at the rear of the stabilisation rod. At any points of the field, the flow as it develops, is characterized by an aerodynamic field resulting from the superimposition of perturbations of acoustic and convective natures. Flame responses to the perturbed jet present CH* emission fluctuations, representative of heat release rate fluctuations q˙′ related to its area variation under vortical actions. The flame stabilization is piloted by its foot dynamics, the displacement frequency of which is always f0. The foot periodic movement, from a simple vertical displacement at VP, evolves towards a complex movement combining the vertical displacement with the lateral one which is maximum at VV.In the basin of VP, the flame shows nonlinear behaviors related to hydrodynamic nonlinearities or inherent nonlinearities to combustion. Scenarios of frequency bifurcations of CH* emission between f0, its subharmonic f0~2 and/or an aperiodic state have been identified.In the basin of VI, the pressure gradient along the acoustic axis induces asymmetry of flow (velocity, vorticity, jet area, reverse flows,...) and flame (wrinkling, area, CH* emission,...) properties according to the acoustic plane containing the burner axis. Asymmetry is maximum at the point of maximum volumic acoustic potentiel energy density, i.e. VI. In the basin of VV, the acoustic velocity imposes a fluctuating lateral displacement to the fluidic system, which does not impose any fluctuation q˙′ contrary to the residual acoustic pressure whose impact on q˙′ is however weak. A steady deviation of hot gases and the flame towards VP results from a nonlinear acoustic action involving radiation pressure effects.In a context where several flames would be present along the acoustic axis, the spatial non-uniformity of the tranverse field leads to the simultaneous presence of various flames (unpertubed, perturbed at f0, at f0~2, aperiodic and extinguished). In particular, a locallyextinguished flame could be re-ignited by hot gases of a flame in its vicinity. Then, the acoustic field non-uniformity would allow a succession of local ignition and exctintion. The fluidic system asymmetry in the basin of VI and the steady deviation of the hot gases and the flame in VV would create a topology of the fluidic system which converges towards a point located between VV and VI, which could modify flame dynamics by front interactions.It has been shown the possibility to imply these flame behaviors in complex coupling loops of self-excited systems, in particular via mode hanges. The jump from one kind of perturbation to another, may lead to the appearance and disappearance of thermoacoustic instabilities.Cette étude concerne les instabilités de combustion. Elle analyse la dynamique de flammes soumises à une perturbation acoustique azimutale et les mécanismes la pilotant. Pour cela, une flamme laminaire prémélangée en cône inversé est placée en différentes positions d’un champ acoustique stationnaire transverse de fréquence f0 moyenne à haute. Le comportement du système fluide (jet et flamme) a été classé suivant les bassins d’influence des ventres de pression (VP), intensité (VI) et vitesse acoustiques (VV). La pression acoustique du champ impose un mécanisme de conversion du mode transverse en un mode longitudinal en sortie de brûleur dont l’amplitude, lentement décroissante de VP vers VI, décroît fortement de VI à VV où les effets de pression sont résiduels. L’adaptation du jet à l’environnement de pression fluctuante produit des vortex en sortie de brûleur et à l’arrière de la tige de stabilisation. En tout point du champ, l’écoulement, lors de son développement, est caractérisé par un champ aérodynamique résultant de la superposition de perturbations de natures acoustique et convective. La flamme en réponse au jet perturbé présente des fluctuations d’émission CH*, représentatives des fluctuations du taux de dégagement de chaleur q˙′, dues à la variation de son aire par l’action des vortex. La stabilisation de la flamme est pilotée par la dynamique du pied dont la fréquence de déplacement est toujours à f0. Le mouvement périodique du pied, d’un simple déplacement vertical en VP, évolue vers un mouvement complexe, combinant avec ce dernier un déplacement latéral qui est maximal en ventre de vitesse. Dans le bassin de VP, la flamme admet des comportements non-linéaires issus des non-linéarités hydrodynamiques ou inhérentes à la combustion. Des scénarios de bifurcations fréquentielles de l’émission CH* entre f0, son sous-harmonique f0~2 et/ou un état apériodique ont été identifiés.Dans le bassin de VI, le gradient de pression suivant l’axe acoustique provoque la dissymétrisation des propriétés de l’écoulement (vitesse, vorticité, aire du jet, écoulement de retour...) et de la flamme (plissements, aire, émission CH*,...) par rapport au plan acoustique contenant l’axe du brûleur. Le maximum de dissymétrie est observé au point de densité volumique d’énergie acoustique potentielle maximale, soit VI.Dans le bassin de VV, la vitesse acoustique provoque une fluctuation latérale du système fluide qui n’induit pas de fluctuation q˙′ contrairement à la pression acoustique résiduelle dont l’impact sur q˙′ est néanmoins faible. Une déviation stationnaire des gaz chauds et de la flamme vers un VP résulte d’une action d’acoustique non-linéaire impliquant des effets de pression de radiation.Dans un contexte où plusieurs flammes seraient allumées le long de l’axe acoustique, la non-uniformité spatiale du champ transverse conduit à la présence simultanée de flammes de types différents (non perturbées, perturbées à f0, à f0~2, apériodique et soufflées). En particulier, une flamme localement éteinte pourrait être rallumée par les gaz chauds d’une flamme voisine. La non-uniformité du champ acoustique rendrait possible une succession d’allumages et d’extinctions locaux. La dissymétrie du système fluide dans le bassin de VI et la déviation des gaz chauds et de la flamme dans celui de VV conduiraient à une topologie du système fluide convergente entre VV et VI qui pourrait modifier la dynamique des flammes par interactions de fronts.Il a été montré la possibilité d’implication de ces comportements de flammes dans des boucles de couplage complexes de systèmes auto-oscillants, notamment via des changements de mode. Le saut d’un type de perturbation à un autre peut conduire successivement à l’apparition et à la disparition des instabilités thermoacoustiques