Wall-temperature effects on flame response to acoustic oscillations

Les instabilités de combustion induites par le couplage combustion-acoustique se produisent dans de nombreux systèmes industriels et domestiques tels que les chaudières, les turbines à gaz et les moteurs de fusée. Ces instabilités se traduisent par des fluctuations de pression et un dégagement de chaleur qui peuvent provoquer une défaillance mécanique ou des dégâts désastreux dans certains cas extrêmes. Ces phénomènes ont été largement étudiés par le passé, et les mécanismes responsables du couplage ont déjà été identifiés. Cependant, il apparaît que la plupart des systèmes se comportent différemment lors du démarrage à froid ou en régime permanent. Le couplage entre la température des parois et les instabilités de combustion reste encore méconnu et n’a pas été étudié en détail jusqu’à présent. Dans le cadre de ces travaux de thèse, on s’intéresse à ce mécanisme. Ces travaux présentent une étude expérimentale des instabilités de combustion pour une flamme laminaire de pré-mélange stabilisée sur un brûleur à fente. Pour certaines conditions de fonctionnement, le système présente un mode instable autour du mode de Helmholtz du brûleur. Il est démontré que l’instabilité peut être contrôlée, et même supprimée, en changeant uniquement la température de la surface du brûleur. Une analyse de stabilité linéaire peut être mise en œuvre afin d’identifier les paramètres jouant un rôle dans les mécanismes d’instabilité, et il est possible de modéliser analytiquement les phénomènes observés expérimentalement. Des études expérimentales détaillées de différents processus élémentaires impliqués dans le couplage thermo-acoustique ont été menées pour évaluer la sensibilité de ces paramètres à la température de la paroi. Enfin un modèle théorique du couplage entre le transfert de chaleur instationnaire à la paroi et la fluctuation du pied de flamme a été proposé. Par ailleurs, d’autres mesures expérimentales ont permis de comprendre les mécanismes physiques responsables de la dépendance de la réponse de la flamme à la température de paroi.Combustion instabilities, induced by the resonant coupling of acoustics and combustion occur in many practical systems such as domestic boilers, gas turbine and rocket engines. They produce pressure and heat release fluctuations that in some extreme cases can provoke mechanical failure or catastrophic damage. These phenomena have been extensively studied in the past, and the basic driving and coupling mechanisms have already been identified. However, it is well known that most systems behave differently at cold start and in the permanent regime and the coupling between the temperature of the solid material and combustion instabilities still remains unclear. The aim of this thesis is to study this mechanism. This work presents an experimental investigation of combustion instabilities for a laminar premixed flame stabilized on a slot burner with controlled wall temperature. For certain operating conditions, the system exhibits a combustion instability locked on the Helmholtz mode of the burner. It is shown that this instability can be controlled and even suppressed by changing solely the temperature of the burner rim. A linear stability analysis is used to identify the parameters playing a role in the resonant coupling and retrieves the features observed experimentally. Detailed experimental studies of the different elementary processes involved in the thermo-acoustic coupling are used to evaluate the sensitivity of these parameters to the wall temperature. Finally a theoretical model of unsteady heat transfer from the flame root to the burner-rim and detailed experimental measurements permit to establish the physical mechanism for the temperature dependance on the flame response