Frequency Analysis of the Combustion Instabilities Induced by a Backward-Facing Step - DMPE ONERA
Communication Dans Un Congrès Année : 2023

Frequency Analysis of the Combustion Instabilities Induced by a Backward-Facing Step

Analyse fréquentielle des instabilités de combustion induites par une marche descendante

Résumé

Combustion instabilities are serious issues encountered in several propulsive applications such as rocket engines or aero gas turbines. In the years 2004-2006, ONERA conducted a series of experiments in the LAERTE facility, which aimed at improving the level of understanding of the mechanisms of flame stabilization behind a backward-facing step (BFS), a situation having direct applications to ramjets or afterburners. In this work, we re-analyze the imaging results (visible luminosity and OH* chemiluminescence) obtained at that time with a lean-premixed CH 4 /air flame. Three canonical cases are described: (i) a Stable Case whereby the flame behaves steadily, (ii) a Metastable Case for which the flame manifests moderate excursions upstream of the step, and (iii) an Unstable Case by which the flame manifests a periodic flashback. The recording sequences are analyzed by means of the Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) technique in order to extract the space and time coherent motions contained within the dynamics. It is revealed that two main mechanisms are coexistent. The first one, characterized by a frequency f a , is associated with a longitudinal acoustic resonance of the experimental apparatus. The second one, characterized by a frequency f h , corresponds to the hydrodynamic instability developing downstream of the step, i.e., that of the flow roll-up induced by the recirculation bubble. When the two frequencies are quite different from one another, the flame is relatively steady and does only flap with soft amplitude. As the difference between the two frequencies narrows down, a hydro-acoustic coupling emerges. This manifests with higher peak amplitudes in the frequency domain and higher motion amplitudes in the space/time domain. When the two frequencies coincide, the situation is favorable for the flashback emergence in that the coupling induces large fluctuations of the flow velocity to the point that it drops below the flame speed.
Les instabilités de combustion sont des problèmes importants rencontrés dans plusieurs applications propulsives telles que les moteurs de fusée ou les turboréacteurs. Dans les années 2004-2006, l'ONERA a mené une série d'expériences au banc LAERTE, qui visaient à améliorer le niveau de compréhension des mécanismes de stabilisation d'une flamme à l'aval d'une marche descendante, une situation ayant des applications directes auprès des statoréacteurs ou dans la réchauffe de turboréacteurs. Dans ce travail, nous ré-analysons les résultats d'imagerie (luminosité visible et chimiluminescence OH*) obtenus à l'époque avec une flamme CH4/air pré-mélangée. Trois cas canoniques sont décrits : (i) un cas stable dans lequel la flamme se comporte de manière stable, (ii) un cas métastable dans lequel la flamme présente des excursions modérées en amont de la marche, et (iii) un cas instable dans lequel la flamme présente un retour de flamme périodique. Les séquences d'enregistrement sont analysées au moyen de la technique de décomposition modale dite de SPOD afin d'extraire les mouvements cohérents dans l'espace et dans le temps contenus dans la dynamique. Il s'avère que deux mécanismes principaux coexistent. Le premier, caractérisé par une fréquence fa, est associé à une résonance acoustique longitudinale de l'installation expérimentale. Le second, caractérisé par une fréquence fh, correspond à l'instabilité hydrodynamique qui se développe en aval de la marche, c'est-à-dire celle de l'enroulement de la flamme induit par la bulle de recirculation. Lorsque les deux fréquences sont très éloignées l'une de l'autre, la flamme est relativement stable et ne bat qu'avec une faible amplitude. Lorsque la différence entre les deux fréquences se réduit, un couplage hydro-acoustique apparaît. Celui-ci se manifeste par des amplitudes de crête plus élevées dans le domaine des fréquences et des amplitudes de mouvement plus élevées dans le domaine physique. Lorsque les deux fréquences coïncident, la situation est favorable à l'apparition d'un retour de flamme, car le couplage induit de grandes fluctuations de la vitesse d'écoulement au point que cette dernière passe en dessous de la vitesse de la flamme.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-04849707 , version 1 (24-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04849707 , version 1

Citer

Stéphane Boulal, Jean-Michel Klein, Yves Fabignon, Axel Vincent-Randonnier, Vladimir Sabelnikov. Frequency Analysis of the Combustion Instabilities Induced by a Backward-Facing Step. ISTS 2023, Jun 2023, Kurume, Japan. ⟨hal-04849707⟩
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