L'évolution des turbines à gaz vers des régimes de combustion en mélange pauvre augmente la sensibilité de la flamme aux perturbations de l'écoulement. Plus particulièrement, cela augmente le risque que des instabilités de combustion apparaissent. Comme ces oscillations peuvent affecter le processus de combustion, il est très important d'être capable de prédire ce comportement au niveau de la conception.L'objectif du travail présenté est de développer un solveur numérique qui permet de décrire ces instabilités, et d'évaluer les effets du nombre de Mach de l'écoulement moyen sur ce phénomène. L'approche choisie consiste à résoudre les équations d'Euler linéarisées, qui sont écrites dans le domaine fréquentiel sous la forme d'un problème aux valeurs propres. Ce système d'équations permets de prendre en compte la vitesse moyenne de l'écoulement, et donc d'évaluer les effets causés par la convection et leur impact sur la stabilité des modes. Parmi les mécanismes qui peuvent être étudiés se trouve notamment l'effet des ondes d'entropie convectées, ce qui est particulièrement intéressant dans le contexte des chambres de combustions. Afin de déterminer l'effet des termes liés à la vitesse de l'écoulement moyen sur la stabilité des modes, une analyse de l'énergie contenue dans les perturbations est effectuée. Finalement, l'aspect de la non-orthogonalité des modes propres, qui permet une croissance d'énergie transitoire dans un système linéairement stable, est abordé. / The development of gas turbines towards lean combustion increases the susceptibility of the flame to flow perturbations, and leads more particularly to a higher risk of combustion instability. As these self-sustained oscillations may affect the performance of the combustion device, it is very important to be able to predict them at the design level. At present, several methods are used to describe combustion instabilities, ranging from complex LES and DNS calculations to low-order network models. An intermediate method consists in solving a set of equations describing the acoustic field using a finite volume technique, which is the approach used in the present study.This thesis discusses the impact of a non zero Mach number mean flow field on thermoacoustic instability. The study is based on the linearized Euler equations, which are stated in the frequency domain in the form of an eigenvalue problem. Using the linearized Euler equations rather than the Helmholtz equation avoids making the commonly used assumption of the mean flow being at rest, and allows to take into account convection effects and their impact on the stability of the system. Among the mechanisms that can be studied using the present approach is namely the impact of convected entropy waves, which is especially interesting in combustion applications.For this study, a 1D and a 2D numerical solver have been developed and are presented in this thesis. In order to asses the effect of the mean flow terms on the modes' stability, an analysis of the disturbance energy budget is performed. Finally, the aspect of the eigenmodes being non-orthogonal and thus allowing for transient growth in linearly stable systems is adressed.

Le bruit de combustion est devenu un contributeur de plus en plus important dans le bruit total de moteur d'avion. Ce bruit global a deux composantes: Le bruit direct et le bruit indirect. Le premier est issu des fluctuations de dégagement de chaleur dans la flamme elle-même. Le deuxième a pour origine les inhomogénéités de température dans les gaz brûlés. L'objectif de ce travail est la conception d'un banc de combustion sous pression avec une flamme pauvre, prémélangée swirlée dont les paramètres d'injection permettront d'obtenir des grandes quantités de bruit indirect.Il est nécessaire de caractériser ce banc et d'établir quelle est la part du bruit direct et de l'indirect afin d'identifier les sources de ces contributions. Pour cette caractérisation il est nécessaire d'utiliser différents diagnostics, de prendre en compte la résolution temporelle. Ces diagnostics à haute cadence permettent de caractériser les champs de vitesse et les dynamiques de flamme, les instabilités de combustion dans le système et ainsi évaluer les contributions du bruit direct et indirect. / Combustion noise has become an increasing contributor of overall aircraft engine noise. It consists of two major parts, direct and indirect combustion noise. The former is generated by the heat release fluctuations of the flame itself. The latter is generated by the temperature inhomogeneities in the burnt gases, which are accelerated in the turbine stages or nozzle following the combustion chamber.The aim of this work is to design and build a pressurized lean swirling combustor test bench, in order to quantify the two contributions.The combustor is thus supposed to generate high quantities of indirect combustion noise. The second aim is then to determine the contributions of direct and indirect combustion noise quantitatively and to gain insight about the sources of the two contributions. These analyses are conducted by different high-speed diagnostics, which were worked on during this work. These diagnostics allow to characterize the flow fields and flame dynamics, to put forward the combustion instability in the system and finally to quantify the direct and indirect combustion noise contributions.

Une large gamme de problèmes physiques, des petites molécules aux étoiles géantes, contiennent des symétries de rotation et sont sujets à des oscillations azimutales ou transverses. Quand cette symétrie est rompue, le système peut devenir instable. Dans cette thèse, les brisures de symétries sont étudiées dans les chambres de combustion annulaires, sujettes à des instabilités thermo-acoustiques azimutales. En premier lieu, deux types de brisures sont obtenus analytiquement : la première en répartissant des bruleurs différents le long de la chambre et la seconde provoquée par le champ moyen lui-même. Ces ruptures de symétries entraînent une séparation des fréquences, fixe la structure du mode et peut déstabiliser le système. De plus, une approche Quantification d’Incertitudes (UQ) permet d’évaluer l’effet de la rupture de symétries provoquée par les incertitudes sur la description ou le comportement des flammes. Pour compléter cette théorie, des Simulations aux Grandes Echelles (SGE) sont réalisées sur un mono-secteur ainsi que sur une configuration complète 360° de l’expérience annulaire de Cambridge. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales et montrent un bon accord. En particulier, un mode instable à 1800 Hz croît dans les deux cas. Cependant, la SGE, limitée par son coût important, ne permet pas l’étude du cycle limite s’établissant après plusieurs centaines de millisecondes. Pour pallier à ce problème, une nouvelle approche, appelée AMT, est développée : les résultats d’une théorie ou d’un solveur acoustique sont injectés dans une simulation SGE. Cette approche permet d’étudier les brisures de symétries, la nature et la dynamique des modes acoustiques, ainsi que d’évaluer l’amortissement dans des configurations réalistes. / A large range of physical problems, from molecules to giant stars, contains rotating symmetry and can exhibit azimuthal waves or vibrations. When this symmetry is broken, the system can become unstable with chaotic behaviors. Symmetry breaking is investigated in annular combustors prone to azimuthal thermo-acoustic instabilities. First, theories reveal that two types of symmetry breaking exist : due to different burner types distributed along the chamber or due to the flow itself . It leads to frequency splitting, fixes the mode structure and can destabilize the configuration. A UQ analysis is also performed to quantify the symmetry breaking effect due to uncertainties of flame descriptions or behaviors. To complete theory, Large Eddy Simulations are performed on a single-sector as well as on a complete 360° configuration of the annular experiment of Cambridge. Numerical results are compared to experimental data showing a good agreement. In particular, an unstable azimuthal mode at 1800 Hz grows in both LES and experiment. However, LES cannot investigate the limit cycle because of its extreme cost. To tackle this problem, a new methodology is developed, called AMT, where theory or Helmholtz solver predictions are injected into LES or DNS. This method allows to study symmetry breaking, mode nature and dynamics as well as evaluating damping in realistic annular configurations.

Cette thèse se focalise sur la compréhension et la prédiction des instabilités de combustion dans les systèmes à haute pression. Elle s'oriente autour de la simulation numérique d’un banc d'essai, opéré à l'université de Purdue, comprenant un injecteur caractéristique des moteurs-fusées et dont les propriétés acoustiques peuvent varier à l'aide d’un tube d'injection mobile. Une méthode d'initialisation et d'allumage pour les calculs LES de chambres de combustions terminées par une tuyère est présentée. Un point de fonctionnement instable est choisi pour étudier le mécanisme de l'instabilité. Les simulations sont comparées aux résultats expérimentaux en terme de fréquence et structure du mode instable. La fonction de transfert de flamme est calculée à l'aide du modèle n − τ puis implémentée dans un solveur acoustique (ne résolvant que les perturbations acoustiques à partir de l'équation de Helmholtz en écoulement réactif). Différents modèles d'impédance de tuyère, extraits de la littérature, sont comparés et leurs impacts sur les résultats de stabilité sont analysés. Le théorème d’impédance translatée est implémenté dans le solveur acoustique pour analyser, à faible coût de calcul, l’influence de la variation de la longueur du tube d'injection. Des écarts entre les fréquences prédites et celles trouvées expérimentalement subsistent mais la carte de stabilité de l’expérience est bien reproduite. / This thesis focuses on the understanding and the prediction of combustion instability in high-pressure devices. A model rocket combustor, tested experimentally at Purdue University, with continuously variable acoustic properties, thanks to a variable-length injector tube, is simulated. A method to initialize and ignite Large-Eddy-Simulation (LES) calculation of combustion chamber surrounded by nozzle is proposed. An unstable operating point is then chosen to investigate the mechanism of the instability. The simulations are compared to experimental results in terms of frequency and mode structure. The flame transfer function is calculated using the n − τ model to feed an acoustic solver which solves only the acoustic perturbation using a Helmholtz equation in reacting flows. The importance of the modeling of the nozzles impedance is studied through the main theories in the literature. The impedance translation theorem is implemented in the acoustic solver to analyze at low cost the influence of the variation of the injector tube. Despite differences in frequency of the instability, the stability map of the experiment is well reproduced.

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.

Les instabilités thermo-acoustiques se rencontrent fréquemment au sein des chambres de combustion de toute taille, de la petite chaudière au moteur de fusée. Ces instabilités sont causées par le couplage entre ondes acoustiques et dégagement de chaleur instationnaire. En effet, le passage d'une onde acoustique au travers d'une flamme va moduler son dégagement de chaleur qui, en retour, va générer de nouvelles ondes acoustiques. Lorsqu'une chambre de combustion entre en instabilité, d'importantes variations de pression sont observées ; ces fluctuations peuvent user prématurément le système ou altérer ses performances. L'étude des instabilités thermo-acoustiques a pour but d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes complexes afin de les prévenir. L'objectif de ce travail est d'obtenir et d'intégrer au sein de modèles réduits des descriptions précises de la dissipation acoustique – effet stabilisant - et d'interaction flamme/acoustique – effet déstabilisant. Cette étude se décompose en trois axes : La première partie développe le concept de « modèle acoustique réduit » qui permet de prédire les modes acoustiques d'une chambre de combustion. Pour cela, sont prises en compte les dissipations inhérentes à certaines pièces(diaphragmes, injecteurs, ...) ainsi que le couplage flamme/acoustique. Une fois le modèle établi, il convient d'en chercher les solutions à l'aide d'un solveur numérique spécialement conçu pour cette tâche. Dans une deuxième partie, un banc expérimental est utilisé pour caractériser le lien entre perte de charge et dissipation acoustique. Il est montré de manière théorique et expérimentale que la connaissance des pertes de charge au travers d'un élément permet de prédire son comportement acoustique à basse fréquence. La dernière partie concerne le couplage flamme/acoustique et plus spécifiquement l'influence de la température de l'accroche-flamme :une flamme pauvre pré-mélangée air/méthane est stabilisée sur un cylindre dont la température peut être contrôlée. Ainsi, il est montré que l'influence de la température du cylindre sur la flamme – position d'équilibre, dynamique et stabilité - est remarquable. / From small scale energy systems such as domestic boilers up to rocket motors, combustion chambers are often prone to combustion instabilities. These instabilities stem from the coupling of unsteady heat release rate and acoustic waves. This coupling is two sided: flame front perturbations generate acoustic waves while acoustic waves impinging on flame holders can disturb flames attached on them. Important pressure and velocity oscillations can be reached during unstable regimes, that can alter its efficiency or even damage the entire combustion chamber. One major challenge is to understand, predict, and prevent from these combustion instabilities. The objectives of this thesis are twofold: (1) take into account acoustic dissipation and (2)analyze flame/acoustic coupling to obtain Reduced Order Model (ROM) for combustion instabilities. This work is divided into three parts. First, the concept of ROM that gives the acoustic modes of a combustion chamber is introduced. This modeling strategy is based on the acoustic network theory and may take into account flame/acoustic coupling as well as acoustic dissipation. An efficient numerical algorithm dedicated to solve ROMs was designed on purpose and validated on several academical configurations. Second, an experimental rig was commissioned to study mean and acoustic pressure losses across a diaphragm and two swirl injectors. Results show that these two phenomena are linked and can be simply incorporated into ROMs. Finally, flame/acoustic coupling is investigated by using both direct numerical simulations and experiments: a lean premixed V-shaped laminar flame is anchored on a cylindrical bluff-body and we show that its temperature greatly influences the flame mean shape as well as its dynamics.

Les besoins énergétiques de la population mondiale ne cessent d’augmenter. Les prévisions indiquent par exemple une forte croissance de la demande du secteur du transport aéronautique. La recherche de systèmes toujours plus performants et moins polluants est nécessaire. Des nouveaux concepts pour la combustion ont été mis au point et appliqués aux turbines à gaz. Parmi eux il existe ceux basés sur la combustion en prémélange pauvre ou en prémélange pauvre pré-vaporisé dans le cas où le carburant utilisé est liquide. Les nouveaux systèmes énergétiques basés sur la combustion en régime pauvre sont prometteurs pour satisfaire les futures normes d’émissions polluantes, mais ils sont plus sensibles aux instabilités de combustion qui limitent leur plage de fonctionnement et peuvent détériorer irréversiblement ces systèmes. Dans ce domaine il reste des questions à aborder. En particulier celle du comportement des flammes tourbillonnaires en combustion diphasique soumises à des perturbations acoustiques. La plupart des moteurs aéronautiques utilisent des flammes de ce type, cependant leur dynamique et leurs interactions mutuelles, quand elles subissent les effets d’une perturbation acoustique, sont loin d’être bien comprises. Ce travail aborde ces questions et apporte des éléments de compréhension sur les mécanismes pilotant la réponse de l’écoulement diphasique et de la flamme, ainsi que des éléments de validation des modèles de prédiction des points de fonctionnement instables. TACC-Spray est le banc expérimental utilisé pour ce travail. Il a été conçu et développé au sein du laboratoire CORIA lors de ce doctorat qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR FASMIC. Le système d’injection qui équipe ce banc expérimental reçoit trois injecteurs tourbillonnaires alimentés en combustible liquide (ici n-heptane), développés par le laboratoire EM2C. Ils sont montés en lignes dans le banc, celui-ci représentant ainsi un secteur d’une chambre annulaire. Le montage étant complexe et nouveau, un travail de développement de solutions techniques a été fait pour rendre possible l’équipement du TACC-Spray avec des capteurs de pression, température, photomultiplicateur ainsi que des diagnostiques optiques performants (e.g. LDA, PDA, imagerie à haute cadence). Pour cette étude, le système énergétique, composé par l’écoulement diphasique et la flamme, a été soumis à l’impact d’un mode acoustique transverse excité dans la cavité acoustique. La réponse du système a été étudiée en fonction de son positionnement dans le champ acoustique. Trois bassins d’influence du champ acoustique sur le système énergétique ont été choisis, à savoir: (i) le ventre de pression acoustique caractérisé principalement par des fortes fluctuations de pression, (ii) le ventre d’intensité acoustique présentant de forts gradients de pression et vitesse acoustique, (iii) le ventre de vitesse acoustique avec de fortes fluctuations de vitesse où la fluctuation de pression est résiduelle. L’approche de cette étude a consisté à étudier en premier lieu le système de référence en absence de forçage acoustique, les résultats sont recueillis dans la Partie I de ce manuscrit. En deuxième lieu le système énergétique est placé à chacune des positions d’intérêt dans le champ acoustique et la réponse de l’écoulement d’air sans combustion, la réponse de l’écoulement diphasique avec combustion et finalement celle des flammes, sont étudiées systématiquement. Les résultats de l’étude avec forçage acoustique sont rassemblés dans la Partie II du manuscrit. / The energy needs of population around the word are continuously increasing. For instance, forecasts indicates an important grow of the request of the aeronautic transportation sector. It is necessary to continue the research efforts to get more performants and less contaminating systems. New concepts for combustion have been developed and introduced to the gas turbine industry. Among these concepts it is found technologies based on lean-premixed combustion or lean-premixed prevaporized combustion when liquid fuels are employed. These novel energetic systems, making use of lean combustion, are promising to meet the future norms about pollutant emissions, but this make them more sensitive to combustion instabilities that limit their operating range and can lead to irreversible damage. In this domain, many questions still need to be considered. In particular that of the behavior of two-phase flow swirling flames subjected to acoustic perturbations. Indeed most of aero-engines operate with this type of flames, but the dynamics and mutual interaction of these flames, as they are submitted to acoustic perturbation, are not yet well understood. This work addresses these issues and gives some understanding elements for the mechanisms driving the response of the flow and of the flame to acoustic perturbations and delivers data to validate models predicting unstable operating points.The experimental bench employed for this work is TACC-Spray. It has been designed and developed in the CORIA laboratory during this PhD thesis which is inscribed in the framework of the ANR FASMIC project. The injections system that equips this bench is composed by three swirled injectors fed with a liquid fuel (here n-heptane), developed by the EM2C laboratory. They are linearly arranged in the bench such that this represents an unwrapped sector of an annular chamber. The setup, being new and complex, needed technical solutions developed during this work and applied then in order to equip TACC-Spray with pressure and temperature sensors, a photomultiplier as well as adequate optic diagnostics (LDA, PDA, high speed imaging systems). In this study, the energetic system, composed by the two-phase swirling flow and the spray flame, has been submitted to the impact of a transverse acoustic mode excited within the acoustic cavity. The system response has been studied as a function of its location in the acoustic field. Three basins of influence of the acoustic field on the energetic system have been chosen, namely: (i) the pressure antinode characterized mainly by strong pressure fluctuations, (ii) the intensity antinode where important acoustic pressure and velocity gradients are present, (iii) the velocity antinode with strong velocity fluctuations where the acoustic pressure is residual. The approach of the study presented here is to investigate in first place the energetic system free of acoustic forcing. The results concerning this first study are presented in the Part I of this manuscript. In second place, the energetic system is placed in each of the location of interest within the acoustic field and the response of the air flow without combustion, that of the two-phase flow with combustion and finally that of the spray flames, are systematically investigated. The results of the study under acoustic forcing are shown in Part II of the manuscript.

Le contexte de ce travail repose sur l'étude des instabilités de combustion au sein des moteurs-fusées à propergols liquides. Cette étude se concentre sur les effets des champs acoustiques transverses de haute amplitude sur l'injection coaxiale en conditions non-réactives. La réponse acoustique du système d'injection est dépendante des propriétés locales du champ acoustique dans la cavité d'injection. La modification du processus d'atomisation, induit par le champ acoustique, a été analysée dans des configurations simples et multiinjection. Des expériences ont été menées pour des régimes d'atomisation de faibles et hauts nombres de Weber. Trois phénomènes ont été observés: un aplatissement du jet, une amélioration du processus d'atomisation et la déviation du système liquide. La combinaison de ces trois phénomènes en configuration multi-injection résulte en un phénomène de regroupement de gouttes. En présence de combustion, un tel regroupement pourraitmener à un dégagement de chaleur non-uniforme susceptible de déclencher ou d'entretenir des instabilités de combustion. Un modèle théorique basé sur les équations d'acoustique non-linéaire a été développé pour donner les expressions générales de pression de radiation et de forces de radiations résultantes appliqué aux objets sphériques et cylindriques en champ stationnaire ou progressif. Le modèle a été utilisé pour interpréter et quantifier les observations expérimentales en configurations liquide/gaz, trans-critique/super-critique et gaz/gaz, et a permis de montrer que le nombre de Helmholtz qui caractérise le champ acoustique, et le rapport de densité qui caractérise les deux milieux, sont deux paramètres cruciaux. Les principales conclusions montrent que le phénomène observé peut être interprété comme résultant de l'acoustique non-linéaire, dont le paramètre clé étant le ratio de densité. Cela exige que la couche séparant les deux milieux, vue comme une interface, ne doive pas être réduite uniquement à une interface liquide/gaz. / The context of this work relies to high frequency combustion instabilities in Liquid Rocket Engines (LRE). The present research focuses on the effects of high amplitude transverse acoustic fields on non-reactive coaxial injection. The acoustic response of injection domes is found to be dependent on the local properties of the acoustic field in the injection cavity. The modification of the atomization process, induced by the acoustic field, has been analyzed in single and multi-injection configurations. Experiments were performed from low to high Weber number atomization regimes. Three phenomena are observed: jet flattening, improvement of the atomization process and deviation. The combination of these phenomena in multi-injection configurations leads to a droplet clustering phenomenon. In the presence of combustion, such a clustering could lead to non-uniform heat release rate which can trigger or sustain combustion instabilities. A theoretical model based on non-linear acoustics has been developed, providing general expressions of radiation pressure and resulting radiation force, for spherical and cylindrical objects in standing and progressive wave field. The model has been successfully used to interpret and quantify experimental observations in liquid/gas, trans-critical/super-critical and gas/gas configurations and showed that the Helmholtz number α characterizing the acoustic field and the density ratio η characterizing the two media are two parameters of importance. The major conclusions are that the observed phenomena can be interpreted as resulting from non-linear acoustics, the key feature being the density ratio. It is claimed that the layer separating the two media, seen as an interface, does not need to be restricted only to a liquid/gas interface.