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<div>Computational studies are performed on a Cambridge Stratified Swirl burner (SwB), a lean premixed stratified flame, by using the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) model and the transported Probability Density Function (PDF) model. The SwB burner was measured</div><div>by Sweeney et al. (Combustion and Flame, 2012, 159: 2896-2911), and comprehensive data are available for model validation, e.g., the mean and root-mean-square values of velocity, temperature, and species mass fractions. The experimental data are available for sixteen different cases to investigate flames in premixed and stratified regimes, with or without swirl. In this study, we consider only non-swirling, premixed and stratified cases. Different</div><div>turbulence models are examined in the modeling studies, and the Reynolds Stress model with standard model constant values is found to perform well with the transported PDF model. A joint PDF for enthalpy and species mass fractions allows for the highly non-linear reaction term in the transport equation to be completely closed. The mixing term arising from molecular diffusion is not closed and requires modeling which is a significant challenge. For the SwB, we consider a series of mixing models including the Interaction by Exchange with the Mean (IEM) mixing model with different mixing model constants, the Modified Curl model, and two mixing models designed for premixed combustion from the literature. We first examine the models in the non-stratified/premixed case (SwB1) to isolate the effect</div><div>of other conditions from stratification on the model predictions. The stratification is then added in two levels, a moderately stratified case (SwB5) and a highly stratified case (SwB9). The predicted results are compared with the experimental data at various locations, inside and outside the recirculation zone in the burner. In general, good agreement is obtained for the velocity fields inside the recirculation zone. Good agreement is also obtained</div><div>of the predicted and measured results is obtained for the mean values of temperature and species mass fractions. The scalar fluctuations are generally underpredicted. Overall, the employed modeling method is able to capture the mean flame structure reasonably well in lean premixed stratified flames. Some limitations are noticed, e.g., the underprediction of scalar fluctuations, and overprediction of CH4 concentration in the stratified cases. These observations are useful for guiding the future research directions.</div>

Les turbomachines actuelles ont atteint un niveau de maturité technique très élevé. De nouvelles architectures reposant sur des cycles thermodynamiques basés sur une combustion à gain de pression, comme la combustion à volume constant (CVC), ont le potentiel d’augmenter leur efficacité. Dans cette étude,une solution qui repose sur l’intégration dans une turbomachine de chambres de combustion à volume constant sans piston (CVCSP) est considérée. Les objectifs de ces travaux de thèse sont doubles : dans un premier temps de développer et de caractériser extensivement un nouveau dispositif (CV2) dédié à la Combustion à volume constant sans piston sur un cas de référence et, dans un second temps, de proposer à travers plusieurs études, une analyse de l’influence de l’aérodynamique et de la dilution sur les processus d’allumage et, plus généralement de combustion. Le dispositif CV2 permet la combustion aérobie en allumage commandé d’un mélange de propane ou de n-décane, injecté directement dans la chambre. Un point de référence est caractérisé en détail via : des mesures de champs de vitesse par PIV, de chimiluminescence pendant la combustion, une analyse 0D développée dans cette étude. La caractérisation détaillée de ce point de référence montre que le dispositif CV2 reproduit correctement une combustion à volume constant turbulente dans un mélange faiblement hétérogène en température et stratifié en composition, et ce sur un nombre de cycles permettant d’établir une convergence statistique raisonnable. Ces diagnostics et analyses sont employés dans 2 cas d’études pour caractériser successivement : l’influence de l’aérodynamique, via une variation de l’instant d’allumage, l’influence des gaz brûlés résiduels sur la combustion en allumage commandé et la stabilité cyclique, via une variation de la pression d’échappement.Dans un fonctionnement sans balayage, on montre que cette variabilité cyclique est liée au premier ordre à la variation de la dilution en gaz brûlé résiduel du mélange et à la vitesse locale. On montre notamment que, pour un mélange donné, il existe une corrélation statistique entre une vitesse statistique limite et la probabilité d’allumage moyenne. Pour représenter l’effet de pression dans un plénum en amont d’une turbine, on réalise une étude paramétrique sur la pression d’échappement. La dilution résultante, croissant avec la pression d’échappement, diminue la vitesse fondamentale de flamme et ralentit donc la combustion. Les niveaux de températures des gaz brûlés résiduels résultent des échanges de chaleur qui ont lieu sur toute la durée du cycle, de l’allumage du cycle N à celui du cycle N+1 suivant. Des extrapolations sur des cycles à température de paroi plus élevée et à échappement plus court montrent que l’adiabaticité du cycle est améliorée (de 20 %) et que l’effet de dilution en température est alors favorable à une vitesse de flamme turbulente qui est alors plus élevée. Un phénomène d’allumage par gaz brûlé résiduel est observé sur certains cycles de combustion. Ce phénomène est caractérisé dans des conditions favorables, i.e. faible richesse (0.66), allumage tardif et cycle plus court. Lors d’un allumage par gaz brûlés résiduels, un noyau de flamme se développe dans les zones présentant des gaz brûlés résiduels chauds et à basse vitesse autour du jet d’admission et se propage ensuite au reste du mélange identiquement à celui qui serait généré par allumage commandé.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRAN Tech, MBDA et l’ANR. / Current turbomachines have reached a very high level of technical maturity. Thermodynamic cycles based on pressure-gain combustion, such as constant volume combustion (CVC), feature a clear potential for efficiency improvement. The present study considers the integration in a turbomachine of piston-lessCVC chambers. The thesis work is twofold. First, a new experimental setup (CV2) dedicated to cyclic piston-less CVC is developed and thoroughly characterized on a reference operating point. Second, the influence of the aerodynamics and dilution on the processes of ignition and, in a larger sense, on combustion is discussed through dedicated studies. The CV2 device allows for the spark-ignited air-breathing combustion of a mixture of either propane orn-decane, directly injected into the chamber. A reference condition is characterized in details using: PIV velocity field measurements, chemiluminescence of combustion and a 0D modeling of the device. This detailed characterization evidenced that the CV2 combustion chamber successfully replicates, on a number of cycles allowing a reasonable statistical convergence, a turbulent deflagrative constant-volume combustion in a mixture stratified in composition. Those diagnostics and analyses are applied to 2 cases of study to characterize successively : the influence of the aerodynamics, through a variation of the ignition timing, the influence of the residual burnt gases on spark-ignited combustion and the cyclic stability, through a variation of the exhaust backpressure.Operating the device without scavenging of the combustion chamber, we show that the cyclic variability correlates strongly with both the variation of residual burnt gases dilution and the local velocity. Particularly, we show that for a given mixture, a correlation exists between a statistical velocity limit and the average probability of ignition. The effect of a plenum backpressure upstream of a turbine, downstream of the combustion chamber, is simulated by varying the exhaust system backpressure. The resulting dilution, which increases with the exhaust backpressure, diminishes the fundamental flame velocity of the mixture and slows down the combustion. The residual burnt gases temperature results from the integrated heat exchanges that happen during the total cycle duration starting from the end of combustion of cycle N, to the ignition of cycle N+1. Enhanced cycles, with an increased wall temperature and reduced exhaust duration, are extrapolated by 0D analysis. Those cycles evidence a reduction of the cumulated heat exchanges of up to 20 %. The resulting dilutionis more favorable to higher turbulent flame velocity thus to shorter combustion duration. A phenomenon of ignition induced by the residual burnt gases is observed on certain combustion cycles. This phenomenon is characterized in favorable conditions, i.e. fuel-lean equivalence ratio (0.66), late ignition and shortcycles. During an ignition by residual burnt gases, a flame kernel is ignited in areas where the still hot residuals burnt gases meet fresh gases in low-velocity areas around the intake jet. The ignition kernel then propagates to the rest of the mixture in a similar manner as if it was spark-ignited.This work is part of the CAPA Chair research program on Alternative Combustion modes for Air-breathing Propulsion supported by SAFRAN Tech, MBDAFrance and ANR (French National Research Agency).

Pour mieux comprendre la combustion en mode stratifié, la propagation de flammes au sein de stratifications de richesse laminaire ou turbulente a été étudiée par des mesures simultanées de richesse et de vitesse effectuées par couplage de la PIV et de la PLIF. L’accent a été mis sur le développement de méthodes permettant d’améliorer la qualité des mesures locales. En particulier, un nouvel algorithme de PIV permettant la mesure locale de la vitesse des gaz frais véritablement à l’entrée de la zone de préchauffage a été développé. Pour améliorer la résolution,les mailles de calcul s’adaptent localement à la topologie de la flamme, pour tenir compte de la forme du front de flamme et de l’expansion des gaz. L’analyse statistique des mesures conditionnée sur la richesse locale a permis de caractériser les propriétés de la flamme soumise à une stratification de richesse dans un écoulement laminaire et turbulent, en particulier en mettant en évidence un effet mémoire. / In order to better understand the stratified combustion, the propagation of flame through stratified mixture field in laminar and turbulent flow conditions has been studied by using combined PIV/PLIF techniques. A great emphasis was placed on developing methods to improve the accuracy of local measurements of flame propagation. In particular, a new PIV approach has beendeveloped to measure the local fresh gas velocity near preheat zone of flame front. To improve the resolution of measurement, the shape of interrogation window has been continuously modified based on the local flame topology and gas expansion effect. Statistical analysis of conditioned local measurements by the local equivalence ratio of flames allows the characterization of theproperties of flame propagation subjected to the mixture stratification in laminar and turbulentflows, especially the highlight of the memory effect.