Une analyse acoustique du banc CESAM a permis de relier les résultats expé-rimentaux aux prévisions d’un modèle analytique de façon satisfaisante. Cette étude a mis en évidence l’impact de la condition aux limites acoustique au fond du tube de prémélange sur la prévision des fréquences des modes acoustiques en utilisant un modèle à deux cavités couplées. La condition limite mesurée expérimentalement a été utilisée dans l’analyse acoustique. L’effet du module de R sur les fréquences des modes est négligeable, tandis que l’impact de la phase est considérable lorsque le mode en question tend vers un mode de type quart d’onde associé au tube de prémélange. L’effet de la phase du coefficient de réflexion acoustique au fond du tube de prémélange est équivalent à un
Sec. 2.7 -Conclusion 63 rallongement du tube en maintenant une phase nulle.
Suivant la longueur de la chambre, du tube de prémélange et les conditions thermodynamiques, les modes propres de l’ensemble du banc peuvent être cou-plés ou découcou-plés. Dans ces expériences, un couplage fort est observé pour une chambre courte alors qu’un découplage marqué se manifeste pour une chambre plus longue.
Dans le cas où le foyer est équipé d’une chambre longue, lorsque le coefficient de réflexion mesuré expérimentalement au fond du tube de prémélange est utilisé comme entrée dans le modèle théorique, la fréquence du second mode couplé
du banc fP C1 passe de 370 Hz à 290 Hz. Elle correspond ainsi à la fréquence
observée expérimentalement. Dans ce cas, ce mode tend vers un mode de type quart d’onde associé au tube de prémélange. Dans cette situation, la fréquence
du premier mode couplé du banc fP C0 n’est pas très sensible à la condition
limite au fond du tube de prémélange. Ce mode tend vers un mode quart d’onde associé à la chambre de combustion.
Sur la configuration où le foyer est équipé d’une chambre courte, les fréquences des deux premiers modes couplés prévus par le modèle varient d’environ 40 Hz, lorsque le coefficient de réflexion mesuré expérimentalement est utilisé. Dans cette situation, le modèle théorique ne semble pas permettre de retrouver les fréquences expérimentales. Les structures des modes sont globalement repro-duites par le modèle théorique, avec et sans utilisation du système de contrôle ICS dans les deux situations.
Au global, le système de contrôle agit efficacement sur les modes associés au prémélangeur. Lorsque le foyer est équipé d’une chambre rallongée, les modes
sont très découplés et l’ICS permet d’atténuer d’environ 28 dB le mode 1P C
alors que le mode0P C est atténué de 15 dB. Dans le cas de la configuration avec
une chambre courte, les modes du banc sont fortement couplés. L’ICS atténue
de 15 dB le mode 1P C, mais le niveau sonore de ce dernier reste au dessus de
130 dB. La nature des modes du système, qui peuvent être fortement couplés ou fortement découplés, est à prendre en compte lors de la conception d’un système de contrôle. Il est alors possible d’optimiser un ou plusieurs systèmes de contrôle pour pouvoir atténuer des modes liés une partie déterminée du foyer. Dans le chapitre suivant une étude poussée de la dynamique de l’écoulement réactif est menée.
Chapitre 3
Caractérisation de la dynamique
de l’écoulement réactif
Dans ce chapitre la dynamique de l’écoulement est caractérisée sur le banc CESAM. Cette étude expérimentale est réalisée en utilisant plu-sieurs diagnostics simultanément. Des mesures acoustiques et de chimi-luminescence sont couplées à la PIV haute cadence à 15 kHz. Le régime de fonctionnement étudié correspond à φ = 0.80, α = 50%. L’analyse spectrale des champs de vitesse axiale et radiale fait ressortir les mêmes fréquences que l’instabilité thermoacoustique. Un post-traitement faisant
intervenir le critère λ2 et sa transformée en ondelettes montre que des
structures cohérentes sont convectées le long du cône de pénétration des
gaz frais. Ces tourbillons apparaissent à la fréquence du mode fP C1 . Un
traitement en moyenne de phase est effectué aux fréquences des modes f0
P C et f1
P C. Les résultats mettent en évidence un effet distinct et propre
à chaque mode sur la dynamique de l’écoulement réactif.
3.1 Introduction
Le chapitre 2 a permis de mettre en évidence les caractéristiques acoustiques du banc de combustion ainsi que l’effet de la longueur de la chambre sur les modes résonants du foyer. L’étude analytique a montré que ces modes correspondaient à une combinaison des modes quart d’onde associés au tube de prémélange et à la chambre de combustion. Dans le cas de la chambre courte, l’instabilité est caractérisée par une seule fréquence de résonance. Lorsque le foyer est équipé
de la chambre longue (LC = 0.88 m), on observe la co-existence de deux modes
résonants à deux fréquences distinctes. La dynamique de l’écoulement soumis à cette excitation acoustique bi-modale est étudiée dans ce chapitre. On cherche en particulier à caractériser l’effet de l’acoustique sur l’aérodynamique pour
chacune des fréquences observées.
La structure du champ acoustique est bien connue grâce aux mesures par mi-crophones réalisées en de nombreux points de l’installation. Pour caractériser la dynamique de l’écoulement, des mesures de vitesse sont réalisées au sein du foyer.
Les avancées technologiques considérables réalisées dernièrement dans le déve-loppement des lasers à haute cadence, de moyens d’acquisition et de stockage permettent d’envisager la PIV avec une résolution temporelle suffisante pour suivre les grandes structures turbulentes au sein d’un écoulement. Cette réso-lution temporelle élevée a déjà permis d’observer en détail des phénomènes à haute fréquence (Barbosa et al., 2009). En particulier, elle permet de déployer un ensemble d’outils de post-traitement permettant d’accéder à des informa-tions spectrales.
Pour mieux comprendre le couplage entre l’acoustique et l’aérodynamique, les champs de vitesse déterminés par PIV seront exploités pour :
– situer les zones de vitesses moyennes maximales et minimales dans l’espace (moyennes temporelles en tout point de l’espace),
– quantifier les fluctuations des vitesses autour de ces valeurs moyennes (calcul des valeurs RMS en tout point de l’espace),
– réaliser une analyse spectrale des fluctuations de la vitesse en chaque point de l’espace pour observer comment les oscillations acoustiques se transmettent à l’écoulement,
– détecter les structures cohérentes et examiner la façon dont elles sont convec-tées dans l’espace,
– réaliser des moyennes de phase aux fréquences propres du système pour dé-terminer la réponse du champ aérodynamique aux perturbations acoustiques, – et enfin tracer la fonction de transfert spatiale entre la vitesse acoustique à
l’entrée de la chambre et le champ aérodynamique dans la chambre.
Dans cette étude, la PIV à très haute cadence 15 kHz est utilisée pour caracté-riser le champ de vitesse dans la chambre de combustion en deux dimensions. Des outils de traitement spécifiques sont ensuite utilisés pour observer et com-prendre l’impact des modes propres du banc sur la dynamique de l’écoulement.