Modélisation de flammes coniques inversées pulsantes : une analyse numérique de l'instabilité

International audienceThe study of combustion-thermoacoustic instabilities is a topic of interest in the development of engines. However, the modeling of these systems involves a high computational burden. This paper focuses on a simpler class of systems that still features such instabilities: inverted conical flames anchored on a central bluff-body. Here these flames are modeled by solving species mass momentum and energy transport equations, coupled with a skeletal methane/air chemical kinetic mechanism. The aim is to characterize the dynamic behavior of inverted conical flames, both due to their natural dynamics and to external incoming velocity fluctuations. The main contribution is the detailed model of the flames, including the smallest scales. The analysis of the impact of the mesh adaption on the flame response shows a trade-off between model accuracy and computational burden that can be adjusted by changing the temperature gradient threshold. The flame response analysis in terms of the temperature and OH mass fraction gives a detailed characterization of the flame front behavior in its different scales, both in time and space. The analysis of the flame front dynamic response employing FFT shows that these have a natural frequency of 35 Hz, and this frequency interacts with the flame response due to incoming velocity excitations. More specifically, when forcing the flame with low frequencies (f ≤ 125 Hz) the flame responds only to the forcing and some harmonics, whereas when forcing between 125 < f ≤ 172 Hz the flame response comprises both the natural and forced behavior. Forcing beyond 200 Hz shows the natural flame response only.L'étude des instabilités de combustion-thermoacoustique est un sujet d'intérêt pour le développement des moteurs. Cependant, la modélisation de ces systèmes implique une charge de calcul élevée. Cet article se concentre sur une classe plus simple de systèmes qui présentent encore de telles instabilités : les flammes coniques inversées ancrées sur un corps central de type bluff. Ici, ces flammes sont modélisées en résolvant les équations de transport de masse, de quantité de mouvement et d'énergie des espèces, couplées à un mécanisme cinétique chimique méthane/air squelettique. L'objectif est de caractériser le comportement dynamique des flammes coniques inversées, à la fois en raison de leur dynamique naturelle et des fluctuations de vitesse entrantes externes. La principale contribution est le modèle détaillé des flammes, y compris les plus petites échelles. L'analyse de l'impact de l'adaptation du maillage sur la réponse de la flamme montre un compromis entre la précision du modèle et la charge de calcul qui peut être ajusté en modifiant le seuil du gradient de température. L'analyse de la réponse de la flamme en termes de température et de fraction massique OH donne une caractérisation détaillée du comportement du front de flamme dans ses différentes échelles, à la fois dans le temps et dans l'espace. L'analyse de la réponse dynamique du front de flamme à l'aide de la FFT montre que ceux-ci ont une fréquence naturelle de 35 Hz, et que cette fréquence interagit avec la réponse de la flamme en raison des excitations de la vitesse entrante. Plus précisément, lors du forçage de la flamme avec des fréquences basses (f ≤ 125 Hz), la flamme répond uniquement au forçage et à certaines harmoniques, alors que lors d'un forçage entre 125 < f ≤ 172 Hz, la réponse de la flamme comprend à la fois le comportement naturel et forcé. Le forçage au-delà de 200 Hz montre uniquement la réponse naturelle de la flamme