Séance Séminaire

Soutenances de thèses

Quantification d'incertitudes pour la prédiction des instabilités Thermoacoustiques dans les chambre de combustions

Jury:
M. Franck NICOUD, Université de Montpellier, Directeur de these
M. Sébastien DUCRUIX,Laboratoire EM2C, CNRS, CentraleSupélec., Rapporteur
M. Chris LACOR, Vrije Universiteit Brussel, Rapporteur
M. Didier LUCOR, Université Pierre et Marie Curie, Examinateur
M. Thierry POINSOT, Université de Toulouse-IMF, Toulouse, CoDirecteur de these
M. Stéphane RICHARD, Safran Helicopter Engine, Examinateur

Résumé :
Les instabilités thermo-acoustiques résultent de l'interaction entre les oscillations de pression acoustique et les fluctuations du taux de dégagement de chaleur de la flamme. Ces instabilités de combustion sont particulièrement préoccupantes en raison de leur fréquence dans les turbines à gaz modernes et à faible émission. Leurs principaux effets indésirables sont une réduction du temps de fonctionnement du moteur en raison des oscillations de grandes amplitudes ainsi que de fortes vibrations à l'intérieur de la chambre de combustion. La simulation numérique est maintenant devenue une approche clé pour comprendre et prédire ces instabilités dans la phase de conception industrielle. Cependant, la prédiction de ce phénomène reste difficile en raison de sa complexité; cela se confirme lorsque les paramètres physiques du processus de modélisation sont incertains, ce qui est pratiquement toujours le cas pour des systèmes réels. Introduire la quantification des incertitudes pour la thermo-acoustique est le seul moyen d'étudier et de contrôler la stabilité des chambres de combustion qui fonctionnent dans des conditions réalistes; c'est l'objectif de cette thèse. Dans un premier temps, une chambre de combustion académique (avec un seul injecteur et une seule flamme) ainsi que deux chambres de moteurs d'hélicoptère (avec N injecteurs et des flammes) sont étudiés. Les calculs basés sur un solveur de Helmholtz et un outil quasi-analytique de bas ordre fournissent des estimations appropriées de la fréquence et des structures modales pour chaque géométrie. L'analyse suggère que la réponse de la flamme aux perturbations acoustiques joue un rôle prédominant dans la dynamique de la chambre de combustion. Ainsi, la prise en compte des incertitudes liées à la représentation de la flamme apparaît comme une étape nécessaire vers une analyse robuste de la stabilité du système. Dans un second temps, la notion de facteur de risque, c'est-à-dire la probabilité pour un mode thermo-acoustique d'être instable, est introduite afin de fournir une description plus générale du système que la classification classique et binaire (stable / instable). Les approches de modélisation de Monte Carlo et de modèle de substitution sont associées pour effectuer une analyse de quantification d'incertitudes de la chambre de combustion académique avec deux paramètres incertains (amplitude et temps de réponse de la flamme). On montre que l'utilisation de modèles de substitution algébriques réduit drastiquement le nombre de calculs initiales, donc la charge de calcul, tout en fournissant des estimations précises du facteur de risque modal. Pour traiter les problèmes multidimensionnel tels que les deux moteurs d'hélicoptère, une stratégie visant à réduire le nombre de paramètres incertains est introduite. La méthode <> combinée à une approche de changement de variables a permis d'identifier trois directions dominantes (au lieu des N paramètres incertains initiaux) qui suffisent à décrire la dynamique des deux systèmes industriels. Dès lors que ces paramètres dominants sont associés à des modèles de substitution appropriés, cela permet de réaliser efficacement une analyse de quantification des incertitudes de systèmes thermo-acoustiques complexes. Finalement, on examine la perspective d'utiliser la méthode adjointe pour analyser la sensibilité des systèmes thermo-acoustiques représentés par des solveurs 3D de Helmholtz. Les résultats obtenus sur des cas tests 2D et 3D sont prometteurs et suggèrent d'explorer davantage le potentiel de cette méthode dans le cas de problèmes thermo-acoustiques encore plus complexes.