Combustion instabilities (thermo-acoustic pressure oscillations) have been recognised for some time as a problem limiting the development of low emissions (e.g., lean burn) gas turbine combustion systems, particularly for aviation propulsion applications. Recently, significant research efforts have been focused on acoustic damping for suppression of combustion instability. Most of this work has either been experimental or based on linear acoustic theory. The last 3-5 years has seen application of density based CFD methods to this problem, but no attempts to use pressure-based CFD methods which are much more commonly used in combustion predictions. The goal of the present work is therefore to develop a pressure-based CFD algorithm in order to predict accurately acoustic propagation and acoustic damping processes, as relevant to gas turbine combustors. The developed computational algorithm described in this thesis is based on the classical pressure-correction approach, which was modified to allow fluid density variation as a function of pressure in order to simulate acoustic phenomena, which are fundamentally compressible in nature. The fact that the overall flow Mach number of relevance was likely to be low ( mildly compressible flow) also influenced the chosen methodology. For accurate capture of acoustic wave propagation at minimum grid resolution and avoiding excessive numerical smearing/dispersion, a fifth order accurate Weighted Essentially Non-Oscillatory scheme (WENO) was introduced. Characteristic-based boundary conditions were incorporated to enable accurate representation of acoustic excitation (e.g. via a loudspeaker or siren) as well as enable precise evaluation of acoustic reflection and transmission coefficients. The new methodology was first validated against simple (1D and 2D) but well proven test cases for wave propagation and demonstrated low numerical diffusion/dispersion. The proper incorporation of Characteristic-based boundary conditions was validated by comparison against classical linear acoustic analysis of acoustic and entropy waves in quasi-1D variable area duct flows. The developed method was then applied to the prediction of experimental measurements of the acoustic absorption coefficient for a single round orifice flow. Excellent agreement with experimental data was obtained in both linear and non-linear regimes. Analysis of predicted flow fields both with and without bias flow showed that non-linear acoustic behavior occurred when flow reversal begins inside the orifice. Finally, the method was applied to study acoustic excitation of combustor external aerodynamics using a pre-diffuser/dump diffuser geometry previously studied experimentally at Loughborough University and showed the significance of boundary conditions and shear layer instability to produce a sustained pressure fluctuation in the external aerodynamics.

Naturen inspirerar mig, i detta projekt jobbar jag med strukturen hos trädstammar och bark, och översätter det jag ser till vävda textiler. När jag befinner mig i naturen känner jag mig ofta lugn och kan koppla bort allt annat i min omgivning. Det lugnet vill jag återskapa och föra in i en rumslighet. I barkens olika strukturer såg jag intressanta varierande ytor som jag ville jobba med i textil. I mitt examensarbete har jag designat textilier med uppmätt akustiska egenskaper för offentlig miljö. Genom att testa materialen på SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, har jag undersökt hur akustiskt dämpande de är. Resultatet har blivit en kollektion med tre vävda textilier med olika utseende och ljudpåverkande funktioner.Nature inspires me, in this project I am working with the structure of tree trunks and bark, and the translation of things I see into woven fabrics. When I am in the nature I often feel calm and relaxed. I can ignore everything else in my environment. I would like to re-create this calm feeling and bring it into a room. In the different bark structures can I see an interesting variety in the shapes witch I would like to work with in textile. In my bachelor degree work I have designed textiles with measured acoustical effects for public spaces. By making samples and test them at SP Technical Research Institute of Sweden, I have examined the acoustic damping of the materials. The result is a collection of three woven fabrics with different appearances and sound affecting functions. / Program: Textildesignutbildningen

Les instabilités thermo-acoustiques causent des problèmes récurrents dans les chambres de combustion pour une large gamme d'applications industrielles, allant des chaudières domestiques aux turbines à gaz, en passant par les moteurs fusées. Ces phénomènes résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et les modes acoustiques du foyer, et peuvent donner lieu à de fortes vibrations, un vieillissement prématuré des composants de la chambre, voire des dommages structurels. Les mécanismes physiques mis en jeu sont complexes et difficiles à modéliser, ainsi les oscillations thermo-acoustiques ne sont pas facilement prévisibles au stade de la conception d’une chambre de combustion. Dans de nombreux foyers, des systèmes d’amortissement passifs sont installés pour augmenter la dissipation d’énergie acoustique et empêcher le développement de ces instabilités. Dans ce travail, des systèmes d’amortissement basés sur des plaques perforées couplées à une cavité résonante et traversées par un écoulement moyen sont analysés. Les principaux objectifs sont : (i) d’améliorer et de simplifier la conception de systèmes d’amortissement robustes en maximisant leurs propriétés d’absorption acoustique en régime linéaire, (ii) d’analyser l’effet de l’amplitude des ondes sonores incidentes sur la réponse acoustique des plaques perforées et (iii) de développer des modèles capables de reproduire cette réponse aux hautes amplitudes. Tout d’abord, deux régimes asymptotiques intéressants sont identifiés où le système fonctionne à faibles et forts nombres de Strouhal respectivement. Dans ces régimes la conception d’un système d’amortissement maximisant l’absorption acoustique est grandement simplifiée, puisque les calculs de la vitesse optimale de l’écoulement et de la taille de la cavité sont découplés. Il est démontré qu’à faible nombre de Strouhal le système se comporte comme un résonateur quart d’onde, et dispose d’une bande d’absorption très large. À fort nombre de Strouhal, le système fonctionne comme un résonateur de Helmholtz, comportant une cavité de taille plus réduite, mais une bande d’absorption beaucoup plus étroite que dans le régime précédent. Ces prévisions sont confirmées par des mesures réalisées dans les différents régimes identifiés sur un dispositif expérimental dédié. L’évolution des propriétés acoustiques d’une plaque perforée lorsque l’amplitude de forçage augmente est ensuite examinée par le biais de simulations directes. Il est montré que la transition du régime linéaire au régime non linéaire se produit lorsque l’amplitude de la vitesse acoustique dans l’orifice est comparable à la vitesse de l’écoulement moyen dans les trous. Pour des amplitudes élevées, une inversion périodique de l’écoulement est observée dans l’orifice. Des anneaux tourbillonnaires sont alternativement éjectés en amont et en aval de l’orifice à une vitesse de convection qui augmente avec l’amplitude de la perturbation acoustique. Ces mécanismes influencent profondément l’absorption acoustique des plaques perforées dans le régime non linéaire. Deux nouveaux modèles décrivant la réponse non linéaire de ces systèmes sont ensuite développés en exploitant la trajectoire des vortex (modèle VC), et une approche quasi-stationnaire (modèle IDF). Les prévisions de ces modèles sont confrontées à des mesures effectuées dans le tube à impédance et aux résultats de simulations directes. Les résultats obtenus au cours de ces travaux peuvent être utilisés pour guider la conception de systèmes d’absorption robustes, capables de fonctionner dans des environnements difficiles avec des niveaux sonores élevés, comme ceux rencontrés lors d’instabilités thermo-acoustiques. / Thermo-acoustic instabilities are of primary concern in combustion chambers for a wide range of industrial applications, from domestic boiler to gas turbines or rocket engines. They are the consequence of a resonant coupling between the flame dynamics and the acoustic modes of the combustor, and can result in strong vibrations, early aging of combustor components and structural damage. The physical mechanisms involved are complex and difficult to model, thus thermo-acoustic oscillations are not easily predictable at the design stage of a combustor. In many combustors, passive dampers are implemented to increase the acoustic energy dissipation of the system and to hinder detrimental flame-acoustics interactions. In the present work, passive damping systems based on perforated screens backed by a resonant cavity and traversed by a bias flow are investigated. The main objectives are: (i) to improve and simplify the design of these dampers by maximizing their acoustic absorption properties in the linear regime, (ii) to analyze the effect of the sound wave amplitude on the acoustic response of these systems and (iii) to develop models capable of capturing absorption at high oscillation amplitudes. First, two interesting asymptotic regimes are identified where the plate operates at low and high Strouhal numbers respectively. In these regimes the design of a damper maximizing absorption is greatly simplified, since the choice of the optimal bias flow velocity and back cavity size can be decoupled. It is shown that at low Strouhal numbers the damper behaves as a quarter-wave resonator, and features a wide absorption bandwidth. At high Strouhal numbers, the system operates as a Helmholtz resonator, featuring shorter optimal back cavity sizes but narrower absorption bandwidths. These predictions are compared to measurements in a dedicated experimental setup for the different operating regimes identified. The dependence of the acoustic properties of a perforated plate on the forcing amplitude is then examined by means of direct numerical simulations. It is shown that transition from linear to nonlinear regimes occurs when the acoustic velocity amplitude in the orifice is comparable to the mean bias flow velocity. At high amplitudes, periodic flow reversal is observed within the perforation, vortex rings are alternatively shed upstream and downstream of the hole and convected away at a velocity which is increasing with the forcing amplitude. These mechanisms greatly influence the acoustic absorption of the perforate in the nonlinear regime. Two novel models capturing this nonlinear response are then inferred based on an analysis of the vortex trajectory (VC model), and on a quasi-steady description of the flow (IDF model). Their predictions are finally compared to measurements conducted in an impedance tube, and to results from numerical simulations. The results obtained in this work can be used to ease the design of robust dampers capable of operating in harsh environments with high sound levels, such as those found during self-sustained thermo-acoustic instabilities.