Flow structure, mixing, flame stabilization and pollutant emissions from a coaxial dual swirl CH4/H2/air injector

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