Structure d'écoulement, mélange, stabilisation de flamme et émissions polluantes d'un injecteur coaxial double swirl CH4/H2/air

Développer des brûleurs alimentés à l’hydrogène qui répondent aux conditions strictes des turbines à gaz équipant les moteurs d’avions à réaction est un défi. Dans ce travail, un concept d’injecteur coaxial à double swirl est étudié dans une chambre de combustion opérant à pression atmosphérique. La structure de l’écoulement, le mélange, la stabilisation de la flamme et les émissions polluantes sont étudiés. Cet injecteur coaxial fonctionne avec de l’hydrogène injecté dans un tube central et avec de l’air ou un mélange CH4/air dans le canal annulaire. Pour un niveau de swirl fixé dans le canal annulaire, le niveau de swirl dans l’injecteur d’hydrogène, la distance de retrait de l’injecteur d’hydrogène par rapport au fond de chambre de combustion et la vitesse d’injection d’hydrogène sont les principaux paramètres contrôlant la stabilisation de flamme. Conférer un swirl à l’écoulement d’hydrogène est une condition nécessaire pour décrocher les flammes H2/air des lèvres de l’injecteur. Une petite distance de retrait de l’injecteur d’hydrogène améliore considérablement l’intervalle des conditions de fonctionnement pour lesquelles la flamme est stabilisée aérodynamiquement. Les mesures de vitesse par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) indiquent que le jet central d’hydrogène swirlé se détend radialement dès sa sortie de l’injecteur, coupant la zone de faible vitesse dans le sillage des lèvres de l’injecteur, expliquant la nécessité du swirl interne pour détacher la flamme. La diffusion Raman est utilisée pour déduire les profils de concentration de gaz à la sortie du brûleur. Conférer un swirl à l’écoulement d’hydrogène améliore considérablement le mélange dans les premiers millimètres après la sortie de l’injecteur central d’hydrogène. L’augmentation de la distance de retrait de l’injecteur d’hydrogène favorise un prémélange partiel avant la combustion. Le rapport de vitesse entre les écoulements central et annulaire et l’angle du jet central contrôlent l’état du mélange. Un modèle de bas ordre est développé avec un paramètre de progression du mélange valide pour un grand nombre de conditions de fonctionnement. Dans des conditions réactives, les mesures PIV montrent que la dilatation thermique du gaz à travers la flamme augmente considérablement l’angle d’expansion du jet swirlé conduisant à des vitesses de recirculation plus faibles. Lorsque la flamme est attachée aux lèvres de l’injecteur, la présence d’un dégagement de chaleur dès la sortie de l’injecteur central entraîne une diminution du diamètre de la zone centrale de recirculation en sortie de l’injecteur annulaire. Les conditions aux limites thermiques le long de la chambre de combustion, les températures des gaz en plusieurs points dans l’écoulement et les émissions de polluants sont également analysées. Les émissions de NOx diminuent lorsque la flamme est détachée du fait d’un meilleur mélange consécutif à l’augmentation de la distance entre la sortie d’injection d’hydrogène et la flamme. Les émissions de NOx chutent avec la richesse globale et pour des puissances thermiques accrues. Une loi d’échelle basée sur la température adiabatique de flamme et le temps de séjour des gaz brûlés dans la chambre de combustion permet de réduire les données pour les flammes détachées. Enfin, un modèle prédictif basé sur une vitesse de déplacement de l’extrémité de la flamme est développé pour décrire les mécanismes physiques conduisant au réattachement de la flamme. Il considère que, pour une flamme initialement détachée, s’il existe une zone de mélange inflammable avec des vitesses inférieures à la vitesse de flamme triple, depuis l’extrémité de la flamme jusqu’aux lèvres de l’injecteur, la flamme se réattachera à l’injecteur. Avec un ensemble limité de données expérimentales acquises dans des conditions d’écoulement à froid, ce modèle est capable de prédire la transition de réattachement des flammes détachées pour toutes les conditions de fonctionnement explorés.Developing hydrogen fueled burners that meet stringent conditions of aeroejet engine gas turbines is challenging. In this work, a dual swirl coaxial injector concept is investigated at atmospheric conditions. The structure of the flow, mixing, flame stabilization and pollutant emissions are scrutinized. This co-axial injector operates with hydrogen injected in a central tube and with air or a CH4air mixture in the annular channel. For a fixed swirl level in the annular channel, the swirl level in the hydrogen injector, the recess distance of hydrogen injection with respect to the chamber backplane and the hydrogen injection velocity are identified as the main parameters controlling flame stabilization. Conferring swirl to the hydrogen stream is identified as a necessary condition to lift H2air flames. A small recess distance considerably enhances the range of operating conditions for which the flame is lifted. Particle Image Velocimetry (PIV) measurements indicate that the swirled hydrogen central jet expands radially right at the injector outlet, cutting the low velocity zone in the wake of the injector lips, explaining the observed necessity of an inner swirl motion to lift the flame. Raman scattering is used to infer the gas concentration profiles at the burner outlet. Conferring swirl to the hydrogen stream greatly enhances mixing in the first millimeters right out of the central hydrogen injector. Augmenting the hydrogen injector recess distance favors partial premixing before combustion. The velocity ratio between the central and annular stream and the central jet angle are shown to drive mixing and a physical-based model is derived to scale a mixing progress parameter. In reactive conditions, PIV shows that thermal expansion of the gas across the flame substantially increases the spreading angle of the swirled jet leading to lower recirculation velocities. When the flame is anchored, the presence of heat release right at the outlet of the central injector leads to a decrease of the diameter of the central recirculation zone at the outlet of the annular injector. Thermal boundary conditions along the combustion chamber, gas temperatures at several locations in the flow and pollutant emissions are also analyzed. NOx emissions decrease when the flame is lifted due to a better mixing consecutive to the increased distance between the hydrogen injection outlet and the flame. They drop with the global equivalence ratio and drop for increased thermal powers. A scaling law based on the adiabatic temperature and the residence time of burnt gases in the combustion chamber enables to collapse the data for lifted flames. Finally, a predictive model based on an edge flame displacement speed is developed to describe the physical mechanisms leading to flame re- anchoring. It considers that, for an initially lifted flame, if a zone with a flammable mixture and with velocities lower than the triple flame speed exists from the flame leading edge to the injector lips, the flame will re-anchor to the injector. With a limited set of experimental data taken in cold flow conditions, this model is able to predict the transition from lifted to anchored flames for all operating conditions. These experiments and models open the path to the optimization of hydrogen injectors in swirling flows