CONGRÈS FRANCOPHONE DE TECHNIQUES LASER (CFTL2014)
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- Sévérine Grondin
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1 14EME (CFTL2014) CARACTERISATION DE L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE DANS UN STATOREACTEUR DE RECHERCHE PAR P.I.V. ET VISUALISATIONS OH* A HAUTE CADENCE SIMULTANEES Arnaud Ristori a,*, Christophe Brossard a, Thomas Le Pichon a (a) Office National d Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA), Chemin de la Hunière, BP 80100, PALAISEAU CEDEX *Correspondant: arnaud.ristori@onera.fr Résumé : Au milieu des années 90, l'onera a lancé avec le soutien de la DGA un programme de recherche dénommé Statoréacteur de Recherche. Ces recherches s appuient sur une expérience de base fortement instrumentée, représentative des configurations géométriques et des écoulements rencontrés dans les statoréacteurs à chambre "tourbillonnaire". Celles-ci doivent permettre d améliorer la modélisation des phénomènes physiques et ainsi de valider les codes d aérothermochimie destinés à la prévision de fonctionnement tels que le code CEDRE de l ONERA. 1 Introduction La maquette de combustion du Statoréacteur de Recherche est dédiée aux écoulements réactifs dans des conditions réalistes de fonctionnement (maquette équipée de hublots). De nombreux résultats de mesures de vitesse par LDV et PIV à basse cadence ainsi que de visualisations de la combustion par imagerie de l émission spontanée ou de la fluorescence induite par laser du radical OH ont été obtenus pour ces écoulements réactifs diphasiques et monophasiques. Des investigations plus fines de l'aérodynamique de l écoulement en non réactif et en combustion ont été réalisées dans le dôme et dans le fût du Statoréacteur de Recherche par la technique PIV à basse cadence [1]. Les niveaux de vitesse et de fluctuations turbulentes ont ainsi été caractérisés en introduisant la nappe laser par le fond de chambre ou par le hublot supérieur de la chambre de combustion. Ces résultats de PIV montrent la zone de recirculation en fond de chambre et aussi l'impact des jets issus des manches à air. Les niveaux de vitesses et de fluctuations sont particulièrement difficiles à prévoir par les codes de simulations numériques RANS, mais les simulations LES [2] ont permis de lever certaines difficultés pour la validation des codes de calcul sur cette géométrie qui dispose d une base de données étendue. Plus récemment, et afin de mieux comprendre les écoulements instationnaires dans ce statoréacteur de recherche, des caractérisations des champs de vitesse par PIV à haute cadence (1000 Hz), couplées à des visualisations de l émission spontanée du radical OH* par caméra numérique rapide intensifiée, ont été réalisées (Figure 1). Les vitesses locales et le signal vidéo numérisé de l'émission OH* instantanés sont analysés par transformée de Fourrier rapide (FFT) : ils permettent de remonter, d'une part aux instabilités à basse fréquence de la PV-14.1 flamme générées par l'impact des deux jets d'air, et d autre part aux modes acoustiques liés à la géométrie, en particulier au premier mode longitudinal du statoréacteur. 1 Positions nappe laser 2 Y Z X Figure 1 Visualisation de la combustion à travers les hublots et schéma d implantation des nappes laser pour des mesures PIV à haute cadence dans le fût du statoréacteur. 2 Description de la maquette La Figure 2 représente en 3D la maquette conçue et réalisée pour les essais. Elle est constituée d une chambre principale munie de hublots pour les visualisations et les mesures optiques. Deux entrées 1
2 d air latérales, dotées de multiples ouvertures afin de permettre notamment l'introduction d'injecteurs de kérosène de type "cône creux", permettent de compléter le dispositif afin de le rendre le plus représentatif possible d une chambre de combustion de statoréacteur réel. Figure 2 Maquette du Statoréacteur de Recherche Les dimensions de la maquette ont été ajustées afin de satisfaire aux compromis entre les caractéristiques d un foyer réaliste, les possibilités du banc d essais et la nécessité de larges accès optiques pour réaliser les diagnostics. Les deux modules de section carrée de la chambre de combustion ainsi que le fond de chambre peuvent être équipés de hublots en silice fondue permettant d effectuer des mesures optiques. Pour les essais décrits ici, seul le premier module de visualisation attaché à la chambre de combustion a été utilisé. La Figure 3 décrit de manière schématique les dimensions de la maquette, à savoir: - Hauteur du dôme : 50 mm (ajustable), - Injecteurs de kérosène situés dans les coudes des manches à air - Rapport de section S Manches à air/s chambre = 2, - Nombre de Mach dans la chambre = 0.35, Les hublots latéraux couvrent la chambre de combustion entre les abscisses X=136 mm à 368 mm. Les plans verticaux d exploration par PIV sont représentés sur la Figure 1 et la largeur de nappe laser de 65 mm environ, couvre pour le plan 1 la région 225 mm < X < 290 mm et pour le plan 2, la région 275 mm < X < 340 mm. Les mesures PIV en réactif diphasique air/kérosène ont été effectuées pour la condition de vol simulée à haute altitude du statoréacteur, pour une richesse de 0,75. Figure 3 Vues schématiques, dimensions générales et position des injecteurs de kérosène dans les manches à air Latéralement aux entrées d'air, 4 tourbillons prennent naissance et permettent à leur tour d'assurer le mélange et la combustion du carburant restant avec l'air issu des manches à air et les gaz brûlés issu du dôme. Les phénomènes instationnaires observés, dues à la présence des jets opposés issu des manches à air, participent grandement à l'efficacité du mélange mais peuvent être redoutables lorsqu'ils opèrent en phase avec le dégagement de chaleur issu de la combustion, cela pouvant produire des instabilités allant jusqu'à la destruction du foyer. L'objectif est donc d'améliorer la compréhension de ces phénomènes en utilisant des diagnostics optiques à haute cadence couplés aux mesures de pression instationnaires. 3 Phénoménologie de l'écoulement La structure de l'écoulement se décompose en deux régions (Figure 4) où s'opèrent les processus de mélange air/carburant et de combustion. Dans la zone du dôme, définie entre le fond de chambre et l'interface des entrées d'air dans la chambre, deux tourbillons contrarotatifs assurent un prémélange d'une partie du carburant avec l'air entrant dans la zone et une combustion dans certaines conditions. Figure 4 Description de l'écoulement PV
3 4 Description du dispositif expérimental Lors des essais réalisés fin 2013 à l'onera Palaiseau, le matériel mis en oeuvre pour les mesures du champ de vitesse se compose : - d'un dispositif d'ensemencement composé d'un panneau d'alimentation en air sous pression piloté à distance et d'un pot de type cyclone permettant de mettre en suspension dans l'air porteur un mélange de très fines particules d oxyde métallique de magnésium (MgO) et d'aérosil (fluidifiant), capable de résister à l environnement réactif de combustion; - d'un système laser Quantronix Darwin-Dual, composé de deux oscillateurs Nd:YLF pompés par diodes, doublés en fréquence à 527 nm, les caractéristiques nominales d émission étant pour chaque cavité de 21mJ/pulse à 1000 Hz; - d'une caméra Vision Research, modèle Phantom V711, équipée d'un filtre interférentiel centré à 527nm; la cadence d'acquisition PIV à pleine résolution ( pixels) a été de 1000 Hz pour ces essais et le temps inter-images de 1,5μs à 2μs; - d'un objectif Sigma à focale variable mm, utilisé pour viser un champ de 121mm x 75mm; - d'un dispositif de synchronisation et de contrôle des deux cavités laser et de la caméra, au moyen du logiciel DaVis 8.1 (LaVision ) et matériels associés. Pour la mesure de l'émission OH* le matériel utilisé est composé : - d une caméra rapide intensifiée (Photron FASTCAM Ultima APX I²); - d un objectif CERCO 2085 UV de focale 94 mm, muni d un filtre interférentiel centré à 312nm, qui correspond à la signature spectrale du radical OH*; le champ visualisé couvre toute la hauteur de la chambre de combustion (110mm x 110mm) pour une taille de capteur active de 1024x1024 pixels. La cadence d'acquisition de la caméra a été de 2000 Hz lors de ces essais. Un ensemble composé de 6 miroirs, un générateur de nappe laser composé de 3 lentilles et un bâti mobile (4 axes de déplacement) piloté à distance supportant les optiques et les caméras, complète le dispositif décrit plus haut (Figure 5). La source laser, située dans une salle de contrôle attenante, génère les faisceaux envoyé par l'intermédiaire des miroirs M1 et M2 (non représentés) sur un miroir M3 après avoir parcouru environ 8m. La nappe laser peut ensuite être déplacé transversalement suivant l'axe Z grâce au générateur de nappe (lentilles L1, L2, L3) situé entre les miroirs M5 et M6 qui sont fixés sur un bras mobile dans la direction transverse. Le passage de la nappe laser de la position 1 à la position 2 suivant X, nécessite une translation de cet ensemble de 50mm et de repositionner manuellement le miroir M5. La caméra PIV est située d'un coté du hublot latéral (suivant Z>0) alors que la caméra OH* est située de l'autre coté (suivant Z<0). Une visualisation type de l'image des particules est représentée Figure 6. PV-14.3 Figure 5 Montage optique autour du foyer Figure 6 Image des particules de MgO introduites dans la chambre pour les mesures PIV à haute cadence 3
4 Le schéma de principe de synchronisation temporelle des différents signaux est représenté sur la Figure 7. Les caméras de visualisation OH* et PIV sont toutes deux cadencées à la fréquence de 2KHz, tandis que les deux cavités du laser haute cadence sont cadencées à 1 KHz. La fréquence d'échantillonnage des capteurs de pression instationnaires de marque Kulite est de 40 KHz. représentée sur la Figure 15, et dans l'analyse FFT de ces signaux avec les mesures de pression instationnaires. (a) Figure 7 Schéma de principe de la synchronisation 5 Caractérisation de l'écoulement stationnaire Les résultats des mesures PIV moyennées temporellement dans les deux plans verticaux (Figure 1), d'une largeur de 65mm et passant par l'axe du statoréacteur, sont représentés sur la Figure 8. La résolution spatiale des vecteurs vitesse est de 1,5 mm x 1,5 mm avec des fenêtres d'interrogation de 16 x 16 pixels2. La fonction de corrélation utilisée pour le traitement des images est la fonction standard FFT. Le champ moyen de vitesse, obtenu à partir de 3000 champs instantanés, fait apparaître la forme et la collision des jets pénétrants issus des manches à air inclinées à 45. Les vitesses les plus élevées sont relevées dans la zone d'impact située sur l'axe, là où se rejoignent les deux écoulements moyens. Les structures turbulentes de l'écoulement sont liées à l'impact et au battement des jets et de l'extrémité de la zone du dôme que l'on retrouve sur le champ des fluctuations de vitesse (Figure 8-c) et des corrélations croisées u'v' (Figure 8-d). Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur (Figure 9-c) sont observées dans les mêmes régions que les fluctuations de vitesse (Figure 8-c). La structure de l écoulement moyen auquel est superposé le champ moyen de l'émission OH*, montre une assez bonne symétrie entre les parties supérieure et inférieure de l'écoulement (Figure 9). L'intérêt des mesures couplées à haute cadence réside dans la superposition possible des champs d'émission OH* et de vitesse instantanée, telle que PV-14.4 (b) (c) (d) Figure 8 Champ de vitesse moyenne V (a, b), de fluctuation de vitesse V' (c) et de tenseur de Reynolds u'v' (d) obtenus par PIV dans les plans axiaux 1 et 2. 4
5 Puissance (DSP) et donc d augmenter le rapport signal/bruit. La Figure 10 met en évidence les fréquences caractéristiques suivantes : 102 Hz, 673 Hz, 3354 Hz. (a) (b) Figure 10 Visualisation instantanée par rétro-éclairage du spray issu des injecteurs dans le fût du statoréacteur et Densité Spectrale de Puissance du signal selon Welch. (c) Figure 9 Emission moyennée de OH* (a, b) et des fluctuations de OH* (c) superposée au champ de vitesse moyenne (a) et de lignes de courant (b, c) obtenus par PIV dans les plans axiaux 1 et 2 (cf. Figure 1). En combustion, l'analyse des résultats obtenus par les capteurs de pression instationnaire (Figure 11), montre que les deux premières fréquences caractéristiques de la fluctuation des jets sont retrouvées à 151 Hz puis 908 Hz (avec ses harmoniques), compte tenu du changement d'impédance acoustique lié au milieu réactif cette fois. Il apparaît en plus, la fréquence de 420 Hz qui est caractéristique du premier mode longitudinal de cette chambre de combustion qui avait déjà été identifiée en combustion monophasique [1]. 6 Caractérisation en combustion à 1 KHz par PIV, VisuOH* et pression instationnaire. Des visualisations par rétro-éclairage à 7500 Hz des jets ensemencés avec des sprays d'eau issus des injecteurs situés dans les manches à air, ont permis, par un traitement du signal, qui consiste à moyenner spatialement l intensité de chaque pixel du champ visualisé pour chaque image, de mettre en évidence les fluctuations en non réactif. Les fréquences caractéristiques issues de ces traitements sont révélés en utilisant un algorithme de Welch (512 échantillons avec recouvrement de 50% et fenêtre de Chebychev), qui permet le moyennage temporel de spectres de Densité Spectrale de PV-14.5 Figure 11 DSP du signal de pression selon Welch L'analyse des images d'émission du radical OH* acquises à 2 KHz met également en évidence le premier mode longitudinal à 422 Hz. L'analyse fréquentielle des vecteurs vitesse n'a pas mis en évidence de fréquences caractéristiques. 5
6 assez bien la forme du front de flamme. Les vitesses instantanées suivent également l'évolution de la forme du front de flamme avec une accélération des gaz frais entre les deux zones réactives fluctuantes situées de part et d'autre de l'axe, cela est montré pour exemple sur la Figure 13 correspondant au temps t=8ms de la Figure 15. Figure 12 DSP du signal d'émission OH* (plans 1 et 2) Figure 13 Champ de lignes de courant instantanée colorée de la vitesse et superposé à l'émission OH* En dehors des instabilités acoustiques vu plus haut, le comportement instationnaire de l'écoulement réactif est un phénomène intrinsèque aux flammes diphasiques qui correspond à une interaction entre le front d évaporation, qui précède la flamme, et la zone de réaction chimique. Le critère de Rayleigh permet de déterminer si il y a amplification de l'instabilité; pour cela, les fluctuations de pression doivent être en phase avec les fluctuations du taux de dégagement de chaleur. Il s'agit cependant d'une condition nécessaire mais pas suffisante pour qu'il y ait amplification des instabilités, puisque les oscillations sont naturellement amorties par les pertes dues au transfert de chaleur et à la dissipation visqueuse en paroi. La Figure 14 montre les évolutions temporelles des grandeurs normalisées fluctuantes de pression acoustique (P ), de dégagement d énergie (Q ) et du taux de croissance de l'énergie acoustique (P *Q ) La quantité P'Q'dt discrétisée sous la forme P'Q' (Figure 14) et dont la pente moyenne fournit le taux de croissance de l énergie acoustique, indique ici que le critère de Rayleigh est manifestement positif : un transfert d énergie s effectue donc de la flamme vers l onde acoustique. La superposition des champs d'émission OH* et de vitesse instantanée, telle que représentés sur la Figure 15, montre que les champs de vitesse instantanés (et donc les lignes de courant représentées ici) sont affectés par les positions successives du front de flamme et des zones de gaz frais et gaz brûlés. Les lignes de courant suivent PV Conclusions et perspectives Ces nouvelles données expérimentales acquises par les techniques de mesure par PIV haute cadence, visualisation OH* et pressions pariétales associées, contribuent à une amélioration des modèles implantés dans les codes numériques de prévision des écoulements instationnaires. La base de données constituée depuis de nombreuses années sur cette expérimentation, a ainsi pu être complétée par ces expérimentations mettant en œuvre ces techniques de mesures optiques à haute cadence. Des mesures couplées PLIF/PIV à haute cadence voire à très haute cadence pourraient permettre de comprendre encore mieux les phénomènes locaux mis en jeux dans les transferts d'énergie entre la zone d'évaporation, la zone de réaction de la flamme et le champ acoustique. L'objectif de l'utilisation de ces techniques de couplage PIV/PLIF auraient également un fort intérêt pour la validation des codes de calcul LES. L objectif de ces mesures serait d avoir accès aux champs vectoriels et scalaires instantanés, couplés ou non, et résolus en temps. Par ailleurs, dans ce type de chambre de combustion, où les vitesses sont très élevées, le suivi spatio-temporel des structures tourbillonnaires nécessiterait, pour les mesures PIV, des lasers à très haute cadence (plusieurs milliers de KHz) associés à des caméras rapides avec des résolutions augmentées également (de l'ordre de 100 MPixels au lieu de 1Mpixels actuellement). 6
7 14EME (CFTL2014) Remerciements Les auteurs tiennent à remercier la DGA/DO/UM-HOR et la Direction Scientifique Générale de l ONERA pour le soutien financier apporté à cette étude. Des remerciements tout particuliers sont également adressés à David Carru, Patrick Priolet, Pascal Chérubini, Eric Landais et François Chane Sha Lin pour leur soutien technique dans la mise en oeuvre des moyens d essais et de mesures lors des essais. References [1] Ristori A., Brossard C., Gicquel P., Barat M., Soulignac F., Caractérisation détaillée de l écoulement par P.I.V. et des instabilités de combustion par caméra vidéo rapide intensifiée dans la région du dôme du Statoréacteur de Recherche, Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2006, Toulouse, septembre [2] Reichstadt S., Etude du mélange et de la combustion monophasique dans un statoréacteur de recherche, Thèse de doctorat soutenue le 14 décembre 2007 à l'université de Pau et des Pays de l'adour, 14 décembre P'/P(norm) 0.8 Q'/Q(norm) P'/P(norm)*Q'/Q(norm) Fluctuations normalisées Temps (s) Σ (P'/P)(norm)*(Q'/Q)(norm) SP'Q' Temps (s) Figure 14 Evolutions temporelles des grandeurs fluctuantes de P (pression acoustique), Q (dégagement d énergie) et P *Q (taux de croissance acoustique) - Evolution temporelle de la croissance de l énergie acoustique P'Q'dt = f (t). 7 PV-14.7
8 t=0ms t=1ms t=2ms t=3ms t=4ms t=5ms t=6ms t=7ms t=8ms t=9ms t=10ms t=11ms t=12ms t=13ms t=14ms t=15ms Figure 15 Champ de lignes de courant instantanée superposé au champ de l'émission OH* acquis simultanément à différents instants dans le plan 1. PV
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