Les contraintes économiques, environnementales et sociétales de ces vingt dernières années notamment dans les domaines de l’énergie et des transports ont débouché sur le développement de nouvelles technologies faisant intervenir la combustion pauvre et prémélangée. Ce mode de combustion à partir d'un mélange homogène conduit à des températures de flamme plus faibles qui permettent de réduire les émissions d'oxydes d'azote tout en limitant la production d'oxydes de carbone. Pour autant, la combustion pauvre prémélangée présente le désavantage d’être sensible à toute forme de couplage notamment acoustique, menant à des instabilités de combustion. Ces instabilités sont largement étudiées, mais restent très difficiles à prévoir car elles font intervenir de nombreux phénomènes physiques multi-échelles. Dans la plupart des cas les oscillations résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et l’acoustique du système. Les conditions aux limites acoustiques du système déterminent la structure du champ de pression dans l’installation, ainsi que les flux acoustiques entrants et sortants. Malgré son importance, l’influence des conditions aux limites n’est pas toujours bien comprise et prise en compte et elle ne fait pas l’objet d’études systématiques. Les conditions aux limites acoustiques ne sont pas faciles à déterminer expérimentalement sur des configurations pratiques et leur contrôle est rarement envisagé. L’objectif de ce travail est donc de répondre à ce manque d’information, en étudiant sur un banc de combustion turbulente (CTRL-Z) l’influence de la condition acoustique d’entrée sur les oscillations de combustion auto-entretenues qui apparaissent dans la chambre de combustion. Un système de contrôle a été développé pour piloter l’impédance du système de prémélange de façon passive, sans modification des conditions de fonctionnement ou de la géométrie du brûleur. Ce système de contrôle d’impédance (ICS, « Impedance Control System ») s’appuie sur une utilisation de plaques perforées faiblement poreuses, au travers desquelles circule un écoulement. Un piston mobile permet de piloter la profondeur de la cavité résonante formée en amont des plaques, et ainsi de piloter leurs impédances. L’impédance de ces plaques perforées a été étudiée pour de faibles et de forts niveaux d’excitation acoustique, et un critère de transition entre les régimes linéaire et non-linéaire a été déterminé. L’ICS a été optimisé pour permettre un contrôle du module du coefficient de réflexion de 0 à 1 sur une large plage de fréquences (100 à 1000 Hz) et de niveaux d’amplitude de perturbations (100 à 150 dB) couvrant ainsi la gamme des instabilités thermoacoustiques classiques. L’ICS est utilisé pour contrôler l’impédance d’entrée du système de prémélange du banc CTRL-Z, en regard de la zone de combustion. L’analyse spectrale des fluctuations de pression et de dégagement de chaleur en fonction de l’impédance d’entrée démontre qu’il est possible d’obtenir un amortissement de l’instabilité principale pouvant atteindre 20 dB. Ces résultats sont confirmés par une estimation au premier ordre d’un bilan d’énergie acoustique prenant en compte le terme source dû à la combustion ainsi que les flux acoustiques en amont et aval de la zone de flamme. Ce bilan démontre par ailleurs l’importance du flux d’énergie transmis vers l’amont, du même ordre de grandeur que le terme source, et souligne la nécessité de prendre en compte ces flux pour déterminer correctement le taux de croissance de l’énergie. Finalement, une analyse acoustique de l'installation a été menée pour déterminer la nature des modes d'instabilités observés et pour examiner les conditions nécessaires au bon fonctionnement de l'ICS. / Combustion instabilities induced by a resonant flame-acoustic coupling are commonly observed in most applications of combustion from gas turbines to domestic or industrial boilers. These oscillations are detrimental by nature, and are still very difficult to predict at the design stage of a combustor. They imply numerous physical phenomena at multiple scales. They mainly result from a resonant coupling between the unsteady combustion and the acoustics of the system. The basic driving and coupling mechanisms have been extensively studied: acoustics in complex geometries and combustion dynamics of turbulent swirled flames are now reasonably well understood. However the effects of the acoustic boundary conditions on the system stability are less well documented, as they are not easy to access or to control in practical systems. They are however of prime importance as they determine the acoustic fluxes at the inlets and outlets of the combustor, as well as the preferential eigenfrequencies of the system. The main objective of this study is to investigate experimentally the influence of the inlet boundary condition of a generic turbulent burner on the observed self-sustained thermoacoustic oscillations. To carry out this investigation, a passive control solution has been developed. An innovative use of perforated panels with bias flow backed by tunable cavities allows to control the acoustic impedance at the inlet of a lean swirled-stabilized staged combustor (CTRL-Z facility). This impedance control system (ICS) has been initially designed and tested in a high load impedance tube. This facility also allowed to develop a robust impedance measurement technique, along with experimental protocols to measure acoustic velocities and fluxes. The acoustic response of perforates in both linear and nonlinear regimes was investigated as function of the plate porosity, bias flow velocity, back-cavity depth and incident pressure wave amplitude and frequency. The transition between the linear regime and the detrimental nonlinear regime has been linked to the perforates geometrical and operational parameters. As a result the ICS enables control of its acoustic reflection coefficient from 1 to 0 in a wide frequency range, 100 to 1000 Hz, for low and large incident pressure amplitudes (from 100 to 150 dB). The ICS, once implemented on the CTRL-Z facility, allowed to passively control the inlet boundary condition of the combustion rig. The impedance measurement technique was successfully used in harsh combustion situations, with high noise levels, to obtain in-situ measurements of the ICS impedance. Spectral analysis of the pressure and heat-release rate fluctuations demonstrated damping of the main self-sustained oscillation by up to 20 dB. A quantitative estimation of the acoustic energy balance was then obtained, highlighting the importance of the inlet acoustic flux. In this configuration, this term is of the same order of magnitude as the driving Rayleigh source term. Finally, an acoustic analysis of the combustion rig was led to determine the nature of the observed combustion instabilities modes and examine conditions required for an effective use of the ICS.

Les contraintes économiques, environnementales et sociétales de ces vingt dernières années notamment dans les domaines de l'énergie et des transports ont débouché sur le développement de nouvelles technologies faisant intervenir la combustion pauvre et prémélangée. Ce mode de combustion à partir d'un mélange homogène conduit à des températures de flamme plus faibles qui permettent de réduire les émissions d'oxydes d'azote tout en limitant la production d'oxydes de carbone. Pour autant, la combustion pauvre prémélangée présente le désavantage d'être sensible à toute forme de couplage notamment acoustique, menant à des instabilités de combustion. Ces instabilités sont largement étudiées, mais restent très difficiles à prévoir car elles font intervenir de nombreux phénomènes physiques multi-échelles. Dans la plupart des cas les oscillations résultent d'un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et l'acoustique du système. Les conditions aux limites acoustiques du système déterminent la structure du champ de pression dans l'installation, ainsi que les flux acoustiques entrants et sortants. Malgré son importance, l'influence des conditions aux limites n'est pas toujours bien comprise et prise en compte et elle ne fait pas l'objet d'études systématiques. Les conditions aux limites acoustiques ne sont pas faciles à déterminer expérimentalement sur des configurations pratiques et leur contrôle est rarement envisagé. L'objectif de ce travail est donc de répondre à ce manque d'information, en étudiant sur un banc de combustion turbulente (CTRL-Z) l'influence de la condition acoustique d'entrée sur les oscillations de combustion auto-entretenues qui apparaissent dans la chambre de combustion. Un système de contrôle a été développé pour piloter l'impédance du système de prémélange de façon passive, sans modification des conditions de fonctionnement ou de la géométrie du brûleur. Ce système de contrôle d'impédance (ICS, " Impedance Control System ") s'appuie sur une utilisation de plaques perforées faiblement poreuses, au travers desquelles circule un écoulement. Un piston mobile permet de piloter la profondeur de la cavité résonante formée en amont des plaques, et ainsi de piloter leurs impédances. L'impédance de ces plaques perforées a été étudiée pour de faibles et de forts niveaux d'excitation acoustique, et un critère de transition entre les régimes linéaire et non-linéaire a été déterminé. L'ICS a été optimisé pour permettre un contrôle du module du coefficient de réflexion de 0 à 1 sur une large plage de fréquences (100 à 1000 Hz) et de niveaux d'amplitude de perturbations (100 à 150 dB) couvrant ainsi la gamme des instabilités thermoacoustiques classiques. L'ICS est utilisé pour contrôler l'impédance d'entrée du système de prémélange du banc CTRL-Z, en regard de la zone de combustion. L'analyse spectrale des fluctuations de pression et de dégagement de chaleur en fonction de l'impédance d'entrée démontre qu'il est possible d'obtenir un amortissement de l'instabilité principale pouvant atteindre 20 dB. Ces résultats sont confirmés par une estimation au premier ordre d'un bilan d'énergie acoustique prenant en compte le terme source dû à la combustion ainsi que les flux acoustiques en amont et aval de la zone de flamme. Ce bilan démontre par ailleurs l'importance du flux d'énergie transmis vers l'amont, du même ordre de grandeur que le terme source, et souligne la nécessité de prendre en compte ces flux pour déterminer correctement le taux de croissance de l'énergie. Finalement, une analyse acoustique de l'installation a été menée pour déterminer la nature des modes d'instabilités observés et pour examiner les conditions nécessaires au bon fonctionnement de l'ICS.

Cette étude s’inscrit dans les efforts faits par l’industrie aéronautique pour la protection environnementale.Pour cela, un des objectifs principaux est de réduire les émissions de polluants et les émissions sonores des aéronefs. Les émissions polluantes sont liées à la qualité de la combustion qui dépend elle même de la conception des chambres de combustion. Les émissions sonores sont réduites grâce à des traitements passifs comme les structures absorbantes placées en paroi des moteurs pour diminuer le bruit de soufflante. Pour ces deux applications différentes, on utilise des matériaux perforés. En effet, les matériaux absorbants sont constitués d’une structure en nid d’abeilles surmontée d’une plaque perforée. Dans les chambres de combustion, les perforations permettent l’injection d’un air froid protégeant les parois des hautes températures, mais leur présence peut modifier la caractérisation acoustique de la chambre. L’objectif de cette thèse est de modéliser la réponse acoustique d’un matériau perforé. La taille des perforations étant petite devant les longueurs d’ondes sonores, des techniques de modélisation asymptotique adaptées à la résolution de problèmes multi-échelle peuvent être mises en œuvre. En effet, ces méthodes permettent de faire le lien entre les effets présents à l’intérieur d’une perforation et la réponse acoustique homogénéisée de la plaque perforée. Dans ces travaux,ce sont les effets visqueux présents dans les perforations qui ont été essentiellement étudiés. Ensuite,des simulations numériques directes ont été réalisées pour vérifier la validité des hypothèses émises lors de la modélisation asymptotique. Ces travaux de thèse ont permis d’améliorer la compréhension de la modélisation de la réponse acoustique des matériaux perforés. De plus, la méthode analytique présentée peut être mise en œuvre pour des perforations de géométrie complexe. / This study is part of the effort made by the aeronautic industry to protect the environment. Thus,one of the main objectives is to reduce aircraft polluting emissions and sound emissions. The pollutinge missions are linked to the combustion quality which depends on the combustion chamber’s design.Noise pollution is reduced thanks to passive treatments such as absorbing structures placed on engine walls. For both applications, perforated plates are used. Indeed, absorbing materials are composed of honey comb structures topped by a perforated plate. In combustion chambers, cold air is injected through perforations to protect the walls from high temperatures, but the perforations can modify the chamber’s acoustic behavior. The objective of this thesis is to model the acoustic response of aperforated material. The perforation size is smaller than the sound wave length, therefore asymptotic modeling techniques adapted to resolving multiscale problems can be implemented. Indeed, thesemethods allow to link the effects inside the perforation with the homogenized acoustic response of theperforated plate. In this study, the viscous effects inside the perforation have been analysed. Moreover,direct numerical simulations have been performed to verify the asymptotic modeling hypotheses. The findings of this thesis allow to understand the acoustic modeling of perforated materials. Furthermore,the developed analytical method can be implemented for perforations with complex shape.

The acoustics of small cavities raises interest of the scientific community since it involves particular damping mechanisms. In fluid dynamics, when a small perturbation is propagating within a Newtonian and heat-conducting fluid bounded by a rigid and isothermal surface, viscous and thermal dissipative mechanisms are generated near the walls. Such effects can have significant impact on the acoustic behaviour of the system.<p>Several types of practical applications can be cited, among which: hearing aids, micro-electro-mechanical systems (transducers, microphones and loud-speakers), absorbing materials made of thin capillary nets or small pores, dissipative silencers, thermo-acoustic heat exchangers, or any kind of device bringing into play small resonant cavities filled with a dissipative fluid (micro-acoustics).<p><p>This study focuses on appropriated reductions of the physical equations, in order to enhance the efficiency of the numerical resolution without adversely affecting the accuracy. Moreover, the proposed strategies lead to numerically stable systems as they involve only one scalar partial order differential equation (or equivalent fluid equation). The emphasis is put on the physical aspect of those reductions, their range of applicability, benefits and drawbacks.<p>Two new reduced models are proposed to estimate the visco-thermal acoustic wave propagation. A first extension deals with waveguide geometries and relax the hypothesis of the fluid at rest. The second original formulation addresses visco-thermal acoustics in 3D arbitrary geometries. This model is based on different considerations coming from existing techniques as well as the estimation of a wall-distance field.<p><p>A second part aims at studying the acoustic behaviour of biphasic materials and more specifically poro-elastic materials. This type of acoustic component is widely used in industry because of their good absorbing properties in the medium- and high-frequency <p>ranges.<p>A preliminary bibliographic research deals with the derivation of the set of partial order differential equations that account for both fluid/structure interactions and the anisotropy of a given poro-elastic material. It has been shown that transversely orientated capillary materials (for instance catalyst substrates) can be simulated using the proposed reduction technique.<p>At last, the modelling of the acoustic transmission between two domains separated by perforated or micro-perforated plates or thin plates of poro-elastic materials is discussed. The analogy between the rigid perforated plate models with an equivalent fluid formulation has been presented. As a result, this model has been extended in order to account for flexural effects of the solid part.<p><p><p>Ce travail porte sur l'étude de certains phénomènes d'amortissements intervenant dans l'acoustique des petites cavités. En méchanique des fluides, lorsqu'une petite perturbation se propage au sein d'un fluide newtonien et caloporteur borné par un mur rigide et isotherme, ces mécanismes dissipatifs particuliers se localisent aux abords des parois et jouent un rôle significatif dans certaines situations.<p>Parmi les exemples d'applications pratiques, il est possible de citer les appareils d'aide auditive, les systèmes microélectromécaniques (transducteurs, microphones et haut-parleurs), les matériaux absorbants constitués de fins réseaux capillaires ou de pores aux dimensions réduites, les systèmes de silencieux, d'échangeurs de chaleur thermo-acoustiques ou tout autre appareil mettant en jeu des cavités résonantes aux dimensions réduites (micro-acoustique).<p><p>L'étude proposée ici se focalise sur des stratégies de réduction appropriées des équations physiques, ceci afin d'améliorer l'efficacité du modèle tout en conservant une précision acceptable. Les techniques présentées aboutissent à des systèmes numériquement stables mettant en jeu une seule équation scalaire (ou équation fluide équivalent). Ainsi, l'accent est porté sur l'aspect physique des réductions, leurs domaines d'application, avantages et inconvénients.<p>Deux modèles originaux sont proposés afin de prédire la propagation acoustique visco-thermique. Une première extension permet d'évaluer la pression acoustique au sein de géométries particulières de type guides d'onde en présence d'un écoulement hydrodynamique. La seconde formulation présentée s'intéresse à l'acoustique dans des domaines 3D arbitraires. Cette méthode se base sur des considérations conjointes de modèles réduits existants ainsi que sur l'estimation d'un champ de distance à la plus proche paroi.<p><p>Dans une seconde partie, nous nous proposons d'étudier le comportement acoustique de matériaux biphasique et plus précisément les matériaux poro-élastiques (très utilisés dans l'industrie en raison de leurs caractéristiques absorbantes dans les domaines des moyennes et hautes fréquences).<p>Une étude bibliographique préliminaire nous a permis d'exprimer l'ensemble des équations aux dérivées <p>partielles modélisant à la fois les interactions fluide/structure et l'anisotropie générale des matériaux. <p>Cette réflexion nous a permis d'aboutir à un modèle de matériau isotrope transverse intéressant, combinant le modèle fluide proposé et la formulation acousto-élastique équivalente. Ainsi la modélisation de structures capillaires orientées (comme les matériaux utilisés dans les catalyseurs automobiles) s'en trouve grandement simplifiée.<p>Enfin, la transmission acoustique intervenant entre deux domaines fluides séparés par une plaque perforée ou micro-perforée ou bien une couche de matériau poreux a été étudiée. L'analogie entre les modèlisations existantes et un modèle générique de fluide équivalent a été mise en évidence. Pour finir, cette formulation a été étendue afin de prendre en compte les effets de flexion de la partie solide. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished