京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21100号 / 工博第4464号 / 新制||工||1694(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 黒瀬 良一, 教授 中部 主敬, 教授 吉田 英生 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24253号 / エネ博第451号 / 新制||エネ||84(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 川那辺 洋, 教授 林 潤, 教授 澄川 貴志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

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.

[ES] El proceso de combustión en llamas de difusión de combustible atomizado es un fenómeno multifásico altamente complejo que a día de hoy no se comprende en su totalidad, ya que involucra varios eventos simultáneos, como atomización, vaporización y cinética química. A lo largo de los años, los investigadores han estudiado a fondo la combustión en llamas de combustibles líquidos, con el fin de comprender los procesos fundamentales como clave para reducir las emisiones contaminantes y mejorar la eficiencia de la propulsión de las aeronaves. En los últimos años, la evolución tanto en la tecnología de inyección como en la de combustión ha permitido mejorar el proceso de mezcla por aspersión y la eficiencia del motor y, por tanto, reducir las emisiones contaminantes. Por lo que, diferentes configuraciones de tipo de inyector y distribución de aire dentro de la cámara de combustión han demostrado ser capaces de reducir el consumo de combustible, así como las emisiones de óxidos de nitrógeno y hollín sin afectar el rendimiento del motor. Esta tesis proporciona una metodología experimental para estudiar los efectos de las condiciones de co-flujo, el caudal másico de combustible, el tipo de combustible y el diámetro de salida del quemador sobre la atomización y la combustión de la llama producida en un quemador anular bajo condiciones de operación pobres. La caracterización del chorro sin combustión se realizó mediante dos técnicas ópticas diferentes. Por un lado, se utilizó velocimetría de imagen de partículas para medir los campos de velocidad del espray. Por otro lado, retroiluminación microscópica difusa (MDBI) para medir el tamaño y la velocidad de las gotas. Los resultados mostraron que ambos están controladas principalmente por el tipo de combustible y el caudal másico del mismo. Sin embargo, la variación de la velocidad de co-flujo no mostró un efecto significativo en las características de las gotas (tamaño y velocidad), lo que probablemente se deba a que el campo de visión de la técnica MBDI estaba muy cerca de la punta del inyector. Adicionalmente, al incrementar la temperatura de co-flujo se observó que el diámetro promedio de gota disminuía, lo cual es causado por la evaporación del combustible. Finalmente, las variaciones en los perfiles de tamaño y velocidad de las gotas al variar el diámetro de salida de aire se relacionaron con la variación de la velocidad del co-flow, lo que afectaba la evaporación y el arrastre de las gotas. Para el estudio de la llama en condiciones reactivas, se probó en condiciones de operación que permitan llama estabilizadas, utilizando tres técnicas ópticas diferentes, las cuales se activaron simultáneamente. La extinción de luz difusa se utilizó para determinar el espesor óptico del hollín. Además, se emplearon las técnicas de quimioluminiscencia OH* y MDBI para medir la altura de despegue de la llama y las características de las gotas, respectivamente. Los resultados mostraron que la velocidad y temperatura del co-flujo, y el tipo de combustible influyen fuertemente en la altura de despegue de la llama. Mientras que en la formación hollín los parámetros más influyentes fueron la velocidad del co-flujo y el tipo de combustible. Con respecto a los resultados de la evaporación de las gotas, se observó que el tamaño inicial y las propiedades del combustible controlan su evaporación. El combustible n-Dodecano es el menos volátil y tiene un tamaño de gota inicial más grande y, por lo tanto, las gotas tardaron más en evaporarse, lo que resultó en una mayor longitud de despegue de la llama y una mayor formación de hollín debido a su mayor tendencia a formar hollín. Por el contrario, las gotas de n-Heptano se evaporaron más rápido, lo que resultó en una altura de despegue de la llama más corta y también en una menor formación de hollín. Finalmente, el combustible n-Decano mostró resultados intermedios para la evaporación de gotas, la altura de despegue de la llama y la formación de hollín. / [CA] El procés de combustió en flames de difusió de combustible atomitzat és un fenomen multifásico altament complex que a hores d'ara no es comprén en la seua totalitat, ja que involucra diversos esdeveniments simultanis, com a atomització, vaporització i cinètica química. Al llarg dels anys, els investi- gadors han estudiat a fons la combustió en flames de combustibles líquids, a fi de comprendre els processos fonamentals com a clau per a reduir les emissions contaminants i millorar l'eficiència de la propulsió de les aeronaus. En els últims anys, l'evolució tant en la tecnologia d'injecció com en la de combustió ha permés millorar el procés de mescla per aspersió i l'eficiència del motor i, per tant, reduir les emissions contaminants. Pel que, diferents configuracions de tipus d'injector i distribució d'aire dins de la cambra de combustió, han demostrat ser capaços de reduir el consum de combustible, així com les emissions d'òxids de nitrogen i sutja sense afectar el rendiment del motor. Aquesta tesi proporciona una metodologia experimental per a estudiar els efectes de les condicions de co-flux, el cabal màssic de combustible, el tipus de combustible i el diàmetre d'eixida del cremador sobre l'atomització i la combustió de la flama produïda en un cremador anul·lar sota condicions d'operació pobres. La caracterització del doll sense combustió es va realitzar mitjançant dues tècniques òptiques diferents. D'una banda, es va utilitzar velocimetría d'imatge de partícules per a mesurar els camps de velocitat de l'esprai. D'altra banda, retroil·luminació microscòpica difusa (MDBI) per a mesurar la grandària i la velocitat de les gotes. Els resultats van mostrar que tots dos estan controlades principalment per la mena de combustible i el cabal màssic d'aquest. No obstant això, la variació de la velocitat de co-flux no va mostrar un efecte significatiu en les característiques de les gotes (grandària i velocitat), la qual cosa probablement es deu al fet que el camp de visió de la tècnica MBDI estava molt prop de la punta de l'injector. Addicionalment, en incrementar la temperatura de co-flux es va observar que el diàmetre mitjà de gota disminuïa, la qual cosa és causat per l'evaporació del combustible. Finalment, les variacions en els perfils de grandària i velocitat de les gotes en variar el diàmetre d'eixida d'aire es van relacionar amb la variació de la velocitat del co-flux, la qual cosa afectava l'evaporació i l'arrossegament de les gotes. Per a l'estudi de la flama en condicions reactives, es va provar en condicions d'operació que permeten flama estabilitzades, utilitzant tres tècniques òptiques diferents, les quals es van activar simultàniament. L'extinció de llum difusa es va utilitzar per a determinar la grossària òptica del sutge. A més, es van emprar les tècniques de quimioluminescència OH* i MDBI per a mesurar l'altura d'enlairament de la flama i les característiques de les gotes, respectivament. Els resultats van mostrar que la velocitat i temperatura del co-flux, i el tipus de combustible influeixen fortament en l'altura d'enlairament de la flama. Mentre que en la formació sutge els paràmetres més influents van ser la velocitat del co-flux i el tipus de combustible. Respecte als resultats de l'evaporació de les gotes, es va observar que la grandària inicial i les propietats del combustible controlen la seua evaporació. El combustible n-Dodecano és el menys volàtil i té una grandària de gota inicial més gran i, per tant, les gotes van tardar més a evaporar-se, la qual cosa va resultar en una major longitud d'enlairament de la flama i una major formació de sutge degut a la seua major tendència a formar sutge. Al contrari, les gotes de n-Heptano es van evaporar més ràpid, la qual cosa va resultar en una altura d'envol de la flama més curta i també en una menor formació de sutja. Finalment, el combustible n-Decano va mostrar resultats intermedis per a l’evaporació de gotes, l’altura d’envol de la flama i la formació de sutja / [EN] The combustion process in spray flames is a highly complex multi-phase phenomenon that is still not completely understood since it involves several simultaneous events, such as atomization, vaporization, and chemical kinetics. Over the years, researchers have studied the combustion in spray flames thoroughly, in order to understand the fundamental processes as key to re- duce pollutant emissions and improve the efficiency of aircraft propulsion. In recent years, the evolution in both injection and combustion technology has allowed to improve the spray mixing process and engine efficiency and hence, reducing pollutant emissions. Therefore, different configurations of injector type and air distribution inside the combustion chamber have proved capable of reducing fuel consumption, as well as emissions of nitrogen oxides and soot without affecting the engine performance. This thesis provides an experimental methodology to study the effects of co-flow conditions, fuel mass flow rate, fuel type and air outlet diameter at the burner exit on the atomization and combustion behavior of the spray flame produced on an annular spray burner under lean conditions. The characterization of the liquid spray without combustion was carried out using two different optical techniques. On the one hand, particle image velocimetry was used to characterize the global velocity fields of the spray. On the other hand, Microscopic diffused back-illumination (MDBI) to measure the size and droplet velocity at a field of view close to the injector tip. The results exhibited that both droplet size and droplet velocity are mainly controlled by the fuel type and fuel mass flow rate. Nevertheless, the variation of the co-flow velocity did not show a significant effect on droplet characteristics (size and velocity), which is likely due to the fact that the field of view of the MDBI technique was located very close to the injector tip. Additionally, by increasing the co-flow temperature, it was observed that the mean droplet size decreased, which is caused by the fuel evaporation process. Finally, the variations in the droplet size and velocity profiles when varying the air outlet diameter were related to the velocity variation when modifying the cross-sectional area at the burner outlet, which affects the evaporation and drag of the drops. On the spray development in reactive conditions, it was investigated in the operating conditions that promote stabilized flames, using three different optical techniques, all of which were triggered simultaneously. The light extinction was used to determine the optical thickness through the soot cloud. In addition, OH* chemiluminescence and the MDBI techniques were employed to measure the flame lift-off height and droplet characteristics, respectively. The results exhibited that the co-flow velocity, co-flow temperature and fuel type strongly influence the flame lift-off height. While in the soot formation the most influential parameters were the co-flow velocity and the type of fuel. Regarding the results of the droplet evaporation, it was observed that the initial droplet sizes and the fuel properties control the droplet evaporation process. n-Dodecane fuel is the least volatile and also exhibited a larger initial droplet size and thus, the droplets took more time to evaporate than the other two fuels, resulting in a longer flame lift-off height and likewise higher soot formation by its greater tendency to form soot. Contrary, n-Heptane droplets evaporated faster, resulting in a shorter flame lift-off height and also less soot formation. Finally, n-Decane showed intermediate results for droplet evaporation, flame lift-off height, and soot formation. / Cardona Vargas, S. (2021). Development of a test rig for the study of the atomization and combustion of a spray flame in an atmospheric annular spray burner at lean conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179994 / TESIS