Devant la nécessité de diminuer les émissions polluantes du secteur du transport, les constructeurs de moteurs d'avion se sont tournés vers l'utilisation de régimes pauvres prémélangés. Ces régimes ont pour avantage de diminuer la production de NOx mais l'inconvénient de favoriser les instabilités de combustion dans les moteurs. La simulation numérique (LES (Large Eddy Simulation) et solveurs de Helmholtz par exemple) a fait ses preuves en matière de de prédiction des instabilités au stade de la conception des moteurs. Pour aller vers plus de précision, il est nécessaire de prendre en compte les détails géométriques des chambres. Les chambres de combustion sont équipées de plaques multiperforées dans le but d'assurer leur refroidissement. Ces plaques sont constituées d'orifices de diamètre inférieur au millimètre, il est donc impossible de les mailler. L'objectif de cette thèse est d'être capable de prendre en compte les plaques multiperforées dans le calcul des modes acoustiques d'une chambre de combustion. Les plaques sont donc remplacées par un modèle homogène développé par Howe en 1979. Ce modèle simule le comportement d'une plaque multiperforée soumise à une excitation acoustique sous certaines hypothèses. Ce modèle se présente sous la forme d'une impédance acoustique. Il est bien adapté pour être codé dans un solveur de Helmholtz. Le modèle de Howe a été développé dans le cas où les plaques multiperforées sont à l'interface entre deux fluides froids. Le modèle est adapté pour prendre en compte le saut de température entre le contournement et la chambre de combustion. Le codage est ensuite validé en comparant les résultats numériques obtenus avec une résolution analytique sur des configurations simples. Ces premiers résultats sur des cas simples permettent de mettre en évidence le comportement acoustique des plaques multiperforées. Elles ont pour effet d'amortir les modes acoustiques mais l'amortissement dépend des paramètres géométriques des plaques et de la vitesse de l'écoulement traversant les orifices. L'étude des instabilités est ensuite appréhendée par une approche de bilans énergétiques. Les chambres industrielles étant équipées de plusieurs paires de plaques multiperforées, il est intéressant de déterminer quelles plaques sont les plus efficaces. Un bilan d'énergie acoustique permet de calculer le pourcentage effectif d'amortissement auquel contribue chaque plaque. En présence d'une flamme, l'approche par bilans permet d'évaluer la contribution des plaques et de la flamme à l'amortissement ou l'amplification d'une instabilité. Une chambre industrielle équipant un hélicoptère de la société Turbomeca est calculée en utilisant les outils développés dans la thèse. Le calcul du bilan d'énergie en présence d'une flamme et des plaques multiperforées permet de déterminer la stabilité des modes de cette chambre et les éléments responsables de l'évolution de l'instabilité. L'ensemble de ces travaux a été financé par la SNECMA et le modèle pour les plaques multiperforées a été implémenté dans le solveur de Helmholtz AVSP, propriété CERFACS-SNECMA. / Aeronautical engine constructors are using lean premixed regimes to deal with the necessity to cut down pollutant emissions. These regimes indeed help to prevent the emission of NOx but trigger on the other hand combustion instabilities. Numerical simulation (which can consist of LES or Helmholtz solvers for example) has proven to be a usefool tool to predict these instabilities at the design stage. Acoustic modes can be well predicted only if geometrical details are taken into account. Multiperforated plates which equip combustion chambers with the purpose of cooling the inner walls must for instance be taken into account in a numerical calculation. These plates consist of several apertures with a diameter smaller than 1 millimeter, which makes their meshing impossible. The objective of this thesis is to take into account perforated plates in the numerical simulation of the acoustics of combustion chambers. The homogeneous model for the acoust ic behaviour of a perforated plate derived by Howe in 1979 is used. Provided some hypotheses, this model can predict the acoustic behaviour of a plate under an acoustic excitation. Howe's model, derived in an incompressible flow, is here adapted to be used in the case where the perforated plate in located between the casing (cold air) of a combustion chamber and the inner chamber (filled with a hot mixture). The model is well suited to be implemented in an existing 3D Helmholtz solver, because it appears under the form of an impedance. The coding is validated by comparing numerical results to analytical results on simple geometries. First results allow to show the damping behaviour of perforated plates and its dependance to geometric parameters or the speed of the incoming flow though the apertures.Acoustic instabilities can also be apprehended with an acoustic energy approach. Since industrial chambers are equipped with several pairs of multiperforated plates, it is interesting to show which of them are the most efficient at damping purposes. An acoustic energy budget allows to predict the percentage of the total damping a particular plate is responsible for. In the presence of a flame, the acoustic energy budget can also give information on the contribution of the flame on the triggering or damping of the instability.An industrial chamber designed by Turbomeca for a helicopter is computed. The acoustic energy budget on a computation taking into account the active flame and the multiperforated plates allows to predict the stability of the modes of the chamber. The elements responsible for the behaviour of the instability can be identified. This work has been funded by SNECMA and the code used to implement the model is AVSP, it co-belongs to CERFACS and SNECMA.

Dans cette thèse, les instabilités de combustion sont étudiées sur deux types de configuration. Tout d’abord, un cas académique stabilisé par un dièdre (Volvo) est étudié. Les simulations sont validées par comparaison avec les données expérimentales. En faisant varier le point de fonctionnement, des modes transverses et longitudinaux sont observés, en bon accord avec les données expérimentales en termes de fréquence des fluctuations de pression et de la dynamique de l’écoulement. Dans un second temps, une configuration proche des cas industriels a été étudiée dans le cadre du projet européen KIAI (Lotar). Les données expérimentales ont été obtenues lors d’une campagne d’essais à l’ONERA. Plusieurs simulations aux grandes échelles sont conduites sur cette configuration. Les instabilités transverses de combustion sont analysées et les mécanismes essentiels qui les pilotent sont identifiés. Sur la base de ces observations, la forme du modèle à Fonction de Transfert de Flamme est modifiée et associée à un solveur de Helmholtz pour prédire la stabilité des modes transverses. Les résultats obtenus par le solveur acoustique sont en bon accord avec la carte de stabilité obtenue par la simulation aux grandes échelles. / In this work longitudinal and transverse combustion instabilities are studied in two types of configurations. While longitudinal modes have been observed in many previous studies at low frequencies, the present work also focusses on high-frequency transverse modes. First, a premixed flame stabilized on a V-fame holder is investigated where experimental results obtained by Volvo are used to validate the simulations. For different operating conditions, longitudinal and transverse modes are observed in Large Eddy Simulations (LES) and show good agreement with the experimental data in terms of pressure frequency and flow dynamics. In a second step, a semi-industrial case is examined within the European project KIAI. Experiments are conducted by ONERA and LES of this two-phase flow configuration (called Lotar) are carried out. Transverse combustion instabilities are analyzed and key elements which drive instabilities are identied. These observations are used to reformulate the classic Flame Transfer Function (FTF) in order to predict the stability of transverse modes by use of an Helmholtz solver. The results reproduce fairly well the stability map generated by LES.

Ces dernières décennies ont vu apparaître de nombreuses innovations dans le domaine de la combustion afin de réduire la consommation et les émissions polluantes. De nouveaux types d'injecteur, de type LPP - Lean Premixed Prevaporized, ont été mis au point permettant de diminuer le rapport combustible/air et visent à pré-vaporiser le carburant en amont de la combustion afin de mieux le mélanger à l'air issu du compresseur. Cette architecture permet une amélioration de la consommation et des émissions polluantes, mais rend les foyers annulaires plus sensibles à des phénomènes instationnaires qui perturbent le fonctionnement du système, accroissent les flux de chaleur vers les parois de la chambre, induisent des vibrations de structures, entrainent une fatigue cyclique des pièces mécaniques et dans des cas extrêmes conduisent à des dommages irréversibles. L'objectif est de poursuivre l'effort engagé au laboratoire EM2C sur ce thème et plus particulièrement sur celui de la dynamique de la combustion dans les chambres annulaires. La thèse concerne plus spécialement le cas où l'injection du combustible s'effectue sous forme liquide. La configuration reproduit sous forme idéalisée celle que l'on trouve en pratique dans les moteurs aéronautiques. La chambre, désignée sous le nom de MICCA-Spray, est équipée de 16 injecteurs swirlés pouvant être alimentés par un combustible liquide ou gazeux, permettant ainsi une combustion diphasique ou prémélangée. Le système possède des parois en quartz donnant un accès optique à la zone de flamme. Il est aussi équipé d'un ensemble de diagnostics tels des microphones, des photomultiplicateurs ainsi que des systèmes d'imagerie à haute cadence. / These last decades have seen many innovations in the field of combustion to reduce fuel consumption and pollutant emissions. New types of injector, for example LPP - Lean Premixed Prevaporized, have then been developed to reduce the fuel / air ratio and aim to pre-vaporize the fuel upstream of the combustion in order to mix it better with the air coming from the compressor. Unfortunately this architecture makes annular chambers more sensitive to unsteady phenomena which disturb the functioning of the system, increase the heat flows towards the walls of the chamber, induce vibrations of structures, cause cyclic fatigue of mechanical parts and in extreme cases lead to irreversible damage. The objective of this thesis is to continue the effort undertaken at the EM2C laboratory on this topic and more particularly on the dynamics of combustion in annular chambers comprising a set of injectors. The thesis concerns more particularly the case where the injection of the fuel takes place in liquid form. This configuration reproduces, in idealized form, what can be found in practice in aeronautical engines. It is also a configuration studied at the fundamental level. The chamber, known as MICCA-Spray, is equipped with 16 swirled injectors that can be powered by liquid or gaseous fuel, thus enabling two-phase or fully premixed combustion. The system has quartz walls giving optical access to the flame zone. It is also equipped with a set of diagnostics such as microphones, photomultipliers and high-speed imaging systems.

Cette thèse a pour but l’étude de la rotation de l’écoulement des grandes échelles dans deux configurations. La première configuration se concentre sur l’effet de la rotation de l’écoulement sur une flamme laminaire. Elle est stabilisée dans le sillage d’un cylindre. La rotation de l’écoulement est introduite en faisant tourner le cylindre autour de son axe. La simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation (DNS)) montre que la rotation du cylindre rompt la symétrie des deux branches de la flamme. La fonction de transfert de flamme (Flame Transfer Function (FTF)), obtenue grâce à l’inversion de Wiener-Hopf, indique qu’un faible taux de rotation réduit le gain de la FTF et donc la flamme devient presque insensible aux perturbations acoustiques à une fréquence donnée. De plus, il est démontré que cette diminution du gain est due à une interférence destructive des fluctuations de chaleur produites par les deux branches de la flamme. La fréquence à laquelle le gain de la FTF devient presque nul est ajustable par la vitesse de rotation du cylindre. Cette étude suggère que le contrôle de la symétrie de la flamme pourrait être un outil de contrôle en boucle ouverte des instabilités thermoacoustiques. Dans le cas de la deuxième configuration, la rotation de l’écoulement est induite par une instabilité hydrodynamique, aussi nommée Precessing Vortex Core (PVC) dans un système d’injection de carburant industriel. Des expériences et des simulations aux grandes échelles (Large Eddy Simulation (LES)) montrent que l’écoulement non-réactif dans l’injecteur pri- maire peut être décomposé en une contribution moyenne et un PVC. Cette instabilité hydro- dynamique est étudiée par l’analyse de stabilité linéaire (Linear Stability Analysis (LSA)) en utilisant deux approches différentes (locale et BiGlobale). Les résultats de l’expérience, de la LES et de la LSA démontrent que le montage d’une tige centrale à l’intérieur de l’injecteur stabilise le PVC. De plus, le même injecteur industriel est étudié dans le cas d’un écoule- ment réactif par LES. Les résultats démontrent que la flamme stabilise le PVC. L’analyse de stabilité BiGlobal montre que le gradient de densité dans le front moyen de la flamme a un effet important sur l’amortissement du PVC. Enfin, l’impact de la tige centrale est également étudié pour le cas réactif. La tige centrale impacte marginalement la forme globale de la flamme, mais a un effet positif sur l’accrochage de la flamme dans la zone de combustion pauvre. En comparant deux cas par LSA, celui avec la tige et celui sans la tige, les résultats suggèrent que la tige augmente considérablement l’amortissement du PVC. Cela pourrait causer une diminution de la turbulence dans l’écoulement et empêcher l’extinction de la flamme et donc expliquer l’influence bénéfique de la tige sur la stabilisation de la flamme. / This thesis investigates large scale flow rotation in two configurations. In the first, the effect of flow rotation on a laminar flame is investigated. The flame is anchored in the wake of a cylindrical bluff body. The flow rotation is introduced by turning the cylinder along its axis. It is shown by Direct Numerical Simulation (DNS), that the cylinder rotation breaks the symmetry of both flame branches. Flame Transfer Function (FTF) measurements performed by the Wiener-Hopf Inversion suggest, that low rotation rates lead to deep gaps in the gain and the flame becomes almost insensitive to acoustic perturbation at a specific frequency. It furthermore is demonstrated that this decrease in gain of the FTF is due to destructive interference of the heat release signals caused by the two flame branches. The frequency at which the gain becomes almost zero can be adjusted by tuning the cylinder rotation rate. The study suggests that controlling the symmetry of the flame could be a tool of open-loop control of thermoacoustic instabilities.

Parmi les mécanismes susceptibles de contribuer à une instabilité thermoacoustique, l'effet direct de la pression acoustique sur la structure interne d'une flamme a été étudié analytiquement, mais n'a jamais été mesuré. L'objectif de ce travail est de présenter une étude expérimentale de la réponse de flamme à une sollicitation acoustique. Les analyses théoriques existant dans la littérature ont été réalisées dans le cadre d'un modèle de flamme simplifié, avec une réaction globale à une étape. Elles fournissent une évaluation de la réponse de flamme en termes de consommation massique instationnaire, ainsi qu'en termes de taux de dégagement de chaleur. Nous avons conçu et réalisé un dispositif expérimental unique dans lequel des flammes laminaires prémélangées de méthane et de propane sont maintenues parfaitement planes par stabilisation paramétrique, et excitées par une oscillation de pression à fréquence variable. La réponse instationnaire de la flamme est mesurée par la chimiluminescence du radical excité OH*, supposée, a priori, proportionnelle au taux de réaction. Les mesures confirment l'existence d'un effet direct de la pression sur l'intensité instantanée de l'émission OH*, mais ne reproduisent pas les tendances prévues par l'analyse, en particulier pour les grandes valeurs de la fréquence réduite. Une étude numérique et expérimentale de la relation entre l'intensité de chimiluminescence de OH* et le taux de consommation massique d'une flamme stationnaire a été réalisée, avec l'objectif de corriger nos mesures. Cependant, le résultat de cette étude ne fait qu'aggraver le désaccord avec les prévisions analytiques. Ces résultats ont suscité une nouvelle analyse théorique, basée sur des modèles de flamme plus complexes, qui montre que le modèle de cinétique chimique peut fortement influencer la réponse instationnaire d'une flamme à des oscillations de pression acoustique. Le meilleur accord avec nos résultats expérimentaux est obtenu pour le taux de dégagement de chaleur instationnaire.

Les moteurs fusées sont des milieux confinés où la combustion a lieu dans des conditions extrêmes. Des instabilités de combustion peuvent se déclencher à haute-fréquence ; elles sont liées aux modes acoustiques de la chambre de combustion. Une chambre de recherche commune, CRC, permet d'étudier la réponse d'une flamme diphasique et turbulente aux oscillations acoustiques de faibles ou fortes amplitudes. La chambre est caractérisée à froid pour obtenir, notamment, le coefficient d'amortissement relatif des oscillations acoustiques. La structure et la fréquence des modes sont déterminées dans le cas où la chambre est couplée avec une cavité latérale. L'utilisation d'un canon à poudre, lors de l'étude de la réponse une excitation acoustique forcée de forte amplitude, nous a dirigés vers des flammes plus courtes. Les injecteurs ont été modifiés pour mener l'étude du niveau du bruit de combustion en fonction des conditions d'injection. La vitesse du gaz détermine si les flammes sont accrochées ou décrochées. Le niveau de bruit des flammes décrochées est plus élevé. Celui des flammes accrochées est proportionnel au nombre de Weber. Les flammes courtes, de longueur inférieure au rayon de la CRC, condition nécessaire pour obtenir un couplage efficace, sont les plus sensibles aux perturbations acoustiques. L'utilisation d'une roue dentée différentes positions dans la chambre a permis d'obtenir des renseignements sur l'origine du couplage thermo-acoustique dans la CRC, objectif principal de cette thèse. La flamme est sensible aux oscillations acoustiques de pression, avec un temps de réponse qui est quasi-nul. Ces observations suggèrent que dans les conditions de la CRC, nous observons essentiellement la réponse de la cinétique chimique aux oscillations de pression.

Cette thèse de doctorat traite des interactions entre des flammes et des perturbations de l'écoulement responsables d'une combustion cyclique auto-entretenue. Sur la base d'observations expérimentales, des modèles théoriques ou numériques de ces interactions sont proposés. Les prévisions des modèles sont confrontées à l'expérience. On montre que les fluctuations rapides de surface de flamme constituent des sources sonores puissantes. Ces sources sont caractérisées pour une flamme en interaction avec une paroi et pour une flamme présentant des éléments rapprochés du front qui interagissent entre eux. Ces interactions peuvent induire des instabilités de combustion. Ce phénomène est analysé en combinant la modélisation et la détermination expérimentale de certains paramètres de l'écoulement. La méthode développée permet de prévoir la carte de stabilité de brûleurs laminaires annulaires. La réponse des flammes à des modulations de l'écoulement est un élément clé dans l'analyse de la stabilité d'un foyer. On propose une étude théorique et une modélisation numérique de la dynamique des flammes de prémélange inclinées par rapport à l'écoulement, une situation fréquente dans l'industrie. Un modèle unifié est développé qui étend la validité des précédents modèles restreints aux basses fréquences à des perturbations convectives de l'écoulement. Les prévisions des modèles sont confrontées à des mesures pour des flammes coniques et des flammes stabilisées en ``V" sur un barreau. Le modèle unifié donne une représentation plus fidèle de la fonction de transfert des flammes coniques. Le cas des flammes en ``V" est moins bien représenté. Dans cette situation, l'interaction de la flamme avec la couche de mélange du jet réactif et du milieu ambiant joue un rôle déterminant. L'ensemble des observations, des modélisations et des méthodes d'analyse développées dans ce document permet une meilleure compréhension de situations pratiques plus complexes.

Cette thèse se concentre sur l'étude des instabilités de combustion dans un brûleur prémélangé. Les instabilités sont généralement issues d'un couplage entre la combustion et les modes propres du système. La mise en résonance qui en résulte peut avoir des conséquences qui sont souvent dommageables, entraînant des vibrations, une fatigue des matériaux soumis à des charges acoustiques élevées et une intensification des flux de chaleur vers les parois de la chambre. Un premier objectif de cette thèse est de poursuivre le développement de méthodes de prévision des instabilités et des phénomènes non-linéaires qui en résultent comme par exemple le développement de cycles limites, les processus de déclenchement ("triggering"), la commutation de modes. Le cadre général adopté est celui de "°l'équivalent harmonique " bien connu dans le domaine du contrôle et qui a été exploré dans le domaine des instabilités de combustion dans des travaux récents du laboratoire EM2C, CNRS. Par le biais de ce concept il est possible de tenir compte de l''evolution de la réponse de la flamme suivant l'amplitude à laquelle elle est soumise. Cette réponse de flamme en fréquence et amplitude généralise la notion de fonction de transfert et elle est désignée sous le nom de "Flame Describing Function" (FDF). Le système est ouvert à son extrémité aval. Cette géométrie permet de simplifier l'analyse et d'obtenir une large gamme de configurations au moyen d'une variation continue de la longueur du conduit d'alimentation qui est limité en amont par un piston. On peut aussi échanger le tube à flamme et utiliser des longueurs différentes de cet élément. Une étude exhaustive est réalisée pour répertorier les oscillations observées et déduire leurs propriétés. On montre que les cycles limites qui possèdent une amplitude constante sont bien décrits par la méthode unifiée fondée sur la FDF. Pour certaines configurations l'expérience fait apparaître des cycles limites dont l'amplitude et la fréquence ne se stabilisent pas au cours du temps. On observe notamment des oscillations plus complexes couplées par plusieurs modes pouvant soit donner lieu à des variations régulières ou à des fluctuations plus irrégulières avec un caractère "galopant" dans le temps. Pour ces oscillations particulières, la FDF fournit des indications sur les domaines d'apparition mais n'est pas en mesure de décrire complètement ces cycles limites complexes. Il faut dans ce cas recourir à une représentation temporelle qui n'est pas développée dans ce document. La base de données expérimentales pourra être utilisée pour guider ultérieurement ce type d'analyse. Le deuxième grand objectif de cette thèse est de rechercher des méthodes de contrôle des instabilités. On considère plus particulièrement des systèmes dynamiques utilisant des plaques perforées polarisées par un écoulement (BFP : "bias flow perforate"). Ces systèmes sont particulièrement intéressants pour atténuer les oscillations basse fréquence qui sont difficiles à réduire par des systèmes passifs. La conception de ces BFPs est fondée sur des travaux récents menés au laboratoire EM2C, CNRS avec notamment l'objectif de robustesse, c'est-à-dire la possibilité de couvrir une large bande de fréquences. L''etude expérimentale et les calculs fondés sur la FDF menés en parallèle permettent de voir les possibilités de tels systèmes et de comprendre les conditions nécessaires à leur efficacité. Cette étude peut permettre de guider les applications qui pourraient être envisagées en pratique.

La réduction des émissions de polluants et l'augmentation du rendement des moteurs ont conduit à une large utilisation de régimes de combustion pauvres en carburant dans les foyers de type moteurs aéronautiques et turbines à gaz. Des phénomènes de bruit et d'instabilités de combustion peuvent alors apparaître. Des fluctuations cycliques auto-entretenues de la pression au sein d'un foyer peuvent conduire à une limitation des régimes de fonctionnement ou une usure rapide et indésirable des installations et dans certains cas une destruction du système. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier les mécanismes responsables du bruit de combustion et des instabilités dans un foyer turbulent prémélangé swirlé. L'étude repose sur une analyse du champ de pression au sein du foyer, de la dynamique de la combustion et une caractérisation détaillée des conditions limites en amont, aval et dans les lignes d'alimentation en combustible et en comburant. Le banc expérimental CESAM ("Combustion Étagée Swirlée Acoustiquement Maîtrisée") est utilisé au cours de ce travail. Basée sur des observations expérimentales, une étude théorique de l'acoustique du foyer est tout d'abord réalisée grâce à un modèle à deux cavités couplées qui modélisent le tube de prémélange et la chambre de combustion de ce banc. Les fréquences et les structures spatiales des modes propres du foyer sont examinées, et des comparaisons sont menées avec les résultats expérimentaux. La condition limite au fond du tube de prémélange est mesurée, et utilisée comme entrée dans le modèle. L'effet de cette condition sur la prévision des fréquences des modes propres est examiné. Par la suite, le code de calcul AVSP est utilisé pour valider les résultats obtenus avec le modèle couplé. L'interaction entre ces modes acoustiques et la flamme est mise en évidence en caractérisant la dynamique de l'écoulement réactif. La vélocimétrie par images de particules (PIV) à haute cadence est utilisée. Une première étude est menée sur les champs de vitesse moyens et fluctuants puis on s'intéresse à l'analyse spectrale des champs de vitesse instantanés, rendue possible par la haute cadence du diagnostic. Un post-traitement faisant intervenir une méthode de détection des tourbillons est ensuite mis en oeuvre en utilisant le critère _2. Des structures cohérentes sont convectées le long du front de flamme à la fréquence du second mode instable du foyer. Le chapitre précédent ayant permis de montrer que ce mode acoustique était essentiellement associé au tube de prémélange, le mécanisme de couplage est clairement identifié. Par la suite, un traitement en moyenne de phase est appliqué aux champs de vitesse axiale. Des mouvements de battements des bras de la flamme dans les directions longitudinale et transverse sont mis en évidence aux fréquences des modes instables. L'émission naturelle de la flamme est également mesurée avec une caméra rapide. Une analyse spectrale et un traitement en moyenne phase avec transformée d'Abel sont appliqués aux images pour caractériser les régions de la flamme présentant une forte réponse aux fréquences des modes acoustiques du foyer. Les mécanismes à l'origine du bruit sont analysés en corrélant les mesures optiques et acoustiques. Au cours de cette étude, des fonctions de transfert de flamme FTF sont également caractérisées aux fréquences des modes propres du foyer, liant perturbations amont et réponse de flamme. La vitesse acoustique est reconstruite dans le tube de prémélange à partir des mesures des microphones. La FTF est calculée grâce aux mesures de vitesse par PIV, à l'émission des radicaux OH* et CH* et à l'émission naturelle de la flamme obtenue par caméra rapide. La caractérisation et la modélisation du système composé du tube de prémélange et de la chambre de combustion montrent qu'il est nécessaire de s'intéresser à l'influence des conditions aux limites sur les propriétés de la flamme et la stabilité du brûleur.

La réduction des émissions de polluants et l’augmentation du rendement des moteurs ont conduit à une large utilisation de régimes de combustion pauvres en carburant dans les foyers de type moteurs aéronautiques et turbines à gaz. Des phénomènes de bruit et d’instabilités de combustion peuvent alors apparaître. Des fluctuations cycliques auto-entretenues de la pression au sein d’un foyer peuvent conduire à une limitation des régimes de fonctionnement ou une usure rapide et indésirable des installations et dans certains cas une destruction du système. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les mécanismes responsables du bruit de combustion et des instabilités dans un foyer turbulent prémélangé swirlé. L’étude repose sur une analyse du champ de pression au sein du foyer, de la dynamique de la combustion et une caractérisation détaillée des conditions limites en amont, aval et dans les lignes d’alimentation en combustible et en comburant. Le banc expérimental CESAM ("Combustion Étagée Swirlée Acoustiquement Maîtrisée") est utilisé au cours de ce travail. Basée sur des observations expérimentales, une étude théorique de l’acoustique du foyer est tout d’abord réalisée grâce à un modèle à deux cavités couplées qui modélisent le tube de prémélange et la chambre de combustion de ce banc. Les fréquences et les structures spatiales des modes propres du foyer sont examinées, et des comparaisons sont menées avec les résultats expérimentaux. La condition limite au fond du tube de prémélange est mesurée, et utilisée comme entrée dans le modèle. L’effet de cette condition sur la prévision des fréquences des modes propres est examiné. Par la suite, le code de calcul AVSP est utilisé pour valider les résultats obtenus avec le modèle couplé. L’interaction entre ces modes acoustiques et la flamme est mise en évidence en caractérisant la dynamique de l’écoulement réactif. La vélocimétrie par images de particules (PIV) à haute cadence est utilisée. Une première étude est menée sur les champs de vitesse moyens et fluctuants puis on s’intéresse à l’analyse spectrale des champs de vitesse instantanés, rendue possible par la haute cadence du diagnostic. Un post-traitement faisant intervenir une méthode de détection des tourbillons est ensuite mis en oeuvre en utilisant le critère _2. Des structures cohérentes sont convectées le long du front de flamme à la fréquence du second mode instable du foyer. Le chapitre précédent ayant permis de montrer que ce mode acoustique était essentiellement associé au tube de prémélange, le mécanisme de couplage est clairement identifié. Par la suite, un traitement en moyenne de phase est appliqué aux champs de vitesse axiale. Des mouvements de battements des bras de la flamme dans les directions longitudinale et transverse sont mis en évidence aux fréquences des modes instables. L’émission naturelle de la flamme est également mesurée avec une caméra rapide. Une analyse spectrale et un traitement en moyenne phase avec transformée d’Abel sont appliqués aux images pour caractériser les régions de la flamme présentant une forte réponse aux fréquences des modes acoustiques du foyer. Les mécanismes à l’origine du bruit sont analysés en corrélant les mesures optiques et acoustiques. Au cours de cette étude, des fonctions de transfert de flamme FTF sont également caractérisées aux fréquences des modes propres du foyer, liant perturbations amont et réponse de flamme. La vitesse acoustique est reconstruite dans le tube de prémélange à partir des mesures des microphones. La FTF est calculée grâce aux mesures de vitesse par PIV, à l’émission des radicaux OH* et CH* et à l’émission naturelle de la flamme obtenue par caméra rapide. La caractérisation et la modélisation du système composé du tube de prémélange et de la chambre de combustion montrent qu’il est nécessaire de s’intéresser à l’influence des conditions aux limites sur les propriétés de la flamme et la stabilité du brûleur. / Lean premixed combustion is widely used to limit pollutant emissions and improve efficiency. However in this situation combustion instabilities and associated noise may occur. The growth of self-sustained pressure fluctuations within the combustor may limit the operating conditions and eventually damage the installation. The objective of this work is to study the mechanisms induced in combustion noise and instabilities in a turbulent premixed swirled burner. The study is based on a detailed analysis of the pressure field of the combustor, the flame dynamics and a characterization of the upstream and downstream acoustic boundary conditions and in the air and fuel feeding lines. Based upon experimental investigations, a theoretical study of the burner acoustics is carried out using a low-order model with two coupled cavities. The eigenfrequencies and spatial distribution of the pressure field are obtained, allowing comparisons with experimental results. The impact of the inlet acoustic impedance on the prediction of the eigenmodes is examined through the use of the measured impedance in the model. Thereafter calculations with the AVSP Helmholtz code are carried out to confirm the results obtained with the loworder model. The interactions between the burner acoustic modes and the flame are investigated and the reacting flow dynamics is characterized, using High Speed Particle Image Velocimetry HSPIV at 15 kHz. A first analysis concerns the mean and fluctuating velocity fields and a spectral analysis of the collection of instantaneous velocity fields is carried out. Then a method based on the _2 criterion is used to detect vortices, showing that coherent structures are convected through the flame front at the frequency of the second unstable combustor mode. It is shown in the previous chapter that this mode is essentially associated with the premixer acoustics, allowing a clear coupling scenario between the acoustics and the flame. A phase locked averaging method is applied to the axial velocity fields. Flapping motions of the flame branches are highlighted in longitudinal and transverse directions at the unstable modes frequencies. The natural light emission from the flame is also measured using a fast camera. Spectral analysis and phase locked averaging with Abel transform are applied to images in order to determine the flame regions where a strong response is visible at the acoustic modes. Mechanisms underlying combustion noise are analyzed by correlating the optical and acoustic measurements. Flame transfer functions FTF are also characterized between upstream disturbances and the flame response at the combustor eigenfrequencies. Acoustic velocity is reconstructed in the premixer using microphones measurements. The FTF is calculated using PIV velocity fields, OH* or CH* intensities and flame natural light emissions measurements. Measurements and modeling show that boundary conditions play a crucial role in the burner stability. The acoustic impedance at the premixer inlet can be modified using an impedance control system (ICS). Thus, the pressure field and flame dynamics are characterized for different boundary conditions imposed by the ICS. The acoustic boundary conditions in the feeding lines are characterized using an Impedance Measurement Device (IMD) equipped with microphones and mounted within the supplies.