Дисертації з теми "Thermo-acoustique"

Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques sont constitués d'une source acoustique couplée à un résonateur à ondes stationnaires dans lequel est disposé un empilement de plaques (ou tout autre matériau poreux), qui est le coeur du processus thermoacoustique. L'interaction entre les ondes acoustiques et thermiques au voisinage des plaques conduit à la création d'un flux de chaleur thermoacoustique et d'un gradient de température le long de l'empilement. L'étude de tels systèmes thermoacoustiques fait l'objet des travaux de la thèse, dont l'objectif est double.
D'une part, dans le cadre des études menées sur la miniaturisation des systèmes thermoacoustiques, avec pour objectif l'évacuation de la chaleur des composants électroniques, une nouvelle architecture de réfrigérateurs thermoacoustiques est étudiée. Ce réfrigérateur, qui est dit "compact" car ses dimensions sont ramenées à celle de l'empilement, offre la possibilité de générer indépendamment les champs de vitesse particulaire et de pression acoustique à partir de quatre sources sonores. Ainsi, un champ acoustique optimal, qui est différent de celui obtenu dans un réfrigérateur à ondes stationnaires, peut être généré dans ce système. Ce type de réfrigérateur est étudié analytiquement et expérimentalement. Une modélisation du champ acoustique dans l'empilement d'un système compact en fonction des débits des sources, ou en fonction des tensions électriques fournies à ces sources, est proposée. La caractérisation expérimentale en terme de champ de vitesse particulaire (mesuré par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules), et de température d'une maquette décimétrique, pour différents points de fonctionnement, est ensuite présentée. Un comportement thermique, plus complexe que celui obtenu dans un système à ondes stationnaires, est observé. Ce comportement pouvant se traduire par une diminution de ses performances, des améliorations du système sont proposées en vue de sa miniaturisation.
D'autre part, dans le cadre des études menées en thermoacoustique afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques qui prennent place dans les systèmes, un modèle analytique du comportement en régime transitoire des réfrigérateurs thermoacoustiques classiques est mis en place. Ce modèle permet d'obtenir l'évolution temporelle de la température en tous points de l'empilement en prenant en compte les effets du flux de chaleur thermoacoustique le long de l'empilement de plaques, du flux de chaleur par conduction retour dans les plaques de l'empilement et dans le fluide, des pertes thermiques à travers les parois du tube, de l'échauffement dû aux frottements visqueux dans l'empilement, et des pertes thermiques à chacune des extrémités de l'empilement. Ce modèle est utilisé pour interpréter qualitativement le comportement transitoire d'un prototype de réfrigérateurs observé lors d'études expérimentales antérieures et permet en particulier d'interpréter les rôles joués par les différents flux de chaleur mis en jeu.

Les instabilités thermo-acoustiques causent des problèmes récurrents dans les chambres de combustion pour une large gamme d'applications industrielles, allant des chaudières domestiques aux turbines à gaz, en passant par les moteurs fusées. Ces phénomènes résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et les modes acoustiques du foyer, et peuvent donner lieu à de fortes vibrations, un vieillissement prématuré des composants de la chambre, voire des dommages structurels. Les mécanismes physiques mis en jeu sont complexes et difficiles à modéliser, ainsi les oscillations thermo-acoustiques ne sont pas facilement prévisibles au stade de la conception d’une chambre de combustion. Dans de nombreux foyers, des systèmes d’amortissement passifs sont installés pour augmenter la dissipation d’énergie acoustique et empêcher le développement de ces instabilités. Dans ce travail, des systèmes d’amortissement basés sur des plaques perforées couplées à une cavité résonante et traversées par un écoulement moyen sont analysés. Les principaux objectifs sont : (i) d’améliorer et de simplifier la conception de systèmes d’amortissement robustes en maximisant leurs propriétés d’absorption acoustique en régime linéaire, (ii) d’analyser l’effet de l’amplitude des ondes sonores incidentes sur la réponse acoustique des plaques perforées et (iii) de développer des modèles capables de reproduire cette réponse aux hautes amplitudes. Tout d’abord, deux régimes asymptotiques intéressants sont identifiés où le système fonctionne à faibles et forts nombres de Strouhal respectivement. Dans ces régimes la conception d’un système d’amortissement maximisant l’absorption acoustique est grandement simplifiée, puisque les calculs de la vitesse optimale de l’écoulement et de la taille de la cavité sont découplés. Il est démontré qu’à faible nombre de Strouhal le système se comporte comme un résonateur quart d’onde, et dispose d’une bande d’absorption très large. À fort nombre de Strouhal, le système fonctionne comme un résonateur de Helmholtz, comportant une cavité de taille plus réduite, mais une bande d’absorption beaucoup plus étroite que dans le régime précédent. Ces prévisions sont confirmées par des mesures réalisées dans les différents régimes identifiés sur un dispositif expérimental dédié. L’évolution des propriétés acoustiques d’une plaque perforée lorsque l’amplitude de forçage augmente est ensuite examinée par le biais de simulations directes. Il est montré que la transition du régime linéaire au régime non linéaire se produit lorsque l’amplitude de la vitesse acoustique dans l’orifice est comparable à la vitesse de l’écoulement moyen dans les trous. Pour des amplitudes élevées, une inversion périodique de l’écoulement est observée dans l’orifice. Des anneaux tourbillonnaires sont alternativement éjectés en amont et en aval de l’orifice à une vitesse de convection qui augmente avec l’amplitude de la perturbation acoustique. Ces mécanismes influencent profondément l’absorption acoustique des plaques perforées dans le régime non linéaire. Deux nouveaux modèles décrivant la réponse non linéaire de ces systèmes sont ensuite développés en exploitant la trajectoire des vortex (modèle VC), et une approche quasi-stationnaire (modèle IDF). Les prévisions de ces modèles sont confrontées à des mesures effectuées dans le tube à impédance et aux résultats de simulations directes. Les résultats obtenus au cours de ces travaux peuvent être utilisés pour guider la conception de systèmes d’absorption robustes, capables de fonctionner dans des environnements difficiles avec des niveaux sonores élevés, comme ceux rencontrés lors d’instabilités thermo-acoustiques
Thermo-acoustic instabilities are of primary concern in combustion chambers for a wide range of industrial applications, from domestic boiler to gas turbines or rocket engines. They are the consequence of a resonant coupling between the flame dynamics and the acoustic modes of the combustor, and can result in strong vibrations, early aging of combustor components and structural damage. The physical mechanisms involved are complex and difficult to model, thus thermo-acoustic oscillations are not easily predictable at the design stage of a combustor. In many combustors, passive dampers are implemented to increase the acoustic energy dissipation of the system and to hinder detrimental flame-acoustics interactions. In the present work, passive damping systems based on perforated screens backed by a resonant cavity and traversed by a bias flow are investigated. The main objectives are: (i) to improve and simplify the design of these dampers by maximizing their acoustic absorption properties in the linear regime, (ii) to analyze the effect of the sound wave amplitude on the acoustic response of these systems and (iii) to develop models capable of capturing absorption at high oscillation amplitudes. First, two interesting asymptotic regimes are identified where the plate operates at low and high Strouhal numbers respectively. In these regimes the design of a damper maximizing absorption is greatly simplified, since the choice of the optimal bias flow velocity and back cavity size can be decoupled. It is shown that at low Strouhal numbers the damper behaves as a quarter-wave resonator, and features a wide absorption bandwidth. At high Strouhal numbers, the system operates as a Helmholtz resonator, featuring shorter optimal back cavity sizes but narrower absorption bandwidths. These predictions are compared to measurements in a dedicated experimental setup for the different operating regimes identified. The dependence of the acoustic properties of a perforated plate on the forcing amplitude is then examined by means of direct numerical simulations. It is shown that transition from linear to nonlinear regimes occurs when the acoustic velocity amplitude in the orifice is comparable to the mean bias flow velocity. At high amplitudes, periodic flow reversal is observed within the perforation, vortex rings are alternatively shed upstream and downstream of the hole and convected away at a velocity which is increasing with the forcing amplitude. These mechanisms greatly influence the acoustic absorption of the perforate in the nonlinear regime. Two novel models capturing this nonlinear response are then inferred based on an analysis of the vortex trajectory (VC model), and on a quasi-steady description of the flow (IDF model). Their predictions are finally compared to measurements conducted in an impedance tube, and to results from numerical simulations. The results obtained in this work can be used to ease the design of robust dampers capable of operating in harsh environments with high sound levels, such as those found during self-sustained thermo-acoustic instabilities

Le dimensionnement des structures composites utilisées dans les industries aérospatiales est souvent basé sur des critères de masse et de résistance mécanique. Les aspects thermiques et acoustiques du comportement de ces matériaux sont rarement envisagés dans les phases de conception et de pré-dimensionnement. Une étude a été menée au sein de l'ONERA-DMAE afin de proposer un outil qui puisse pallier ce manque. Cet outil est, dans un premier temps, dédié aux plaques planes multicouches et sandwichs à cœur nids d'abeille. Il comprend deux modules analytiques : un modèle vibro-acoustique (calcul des modes propres et de la transparence acoustique), et un modèle thermique (calcul du champ de température et des flux de chaleur). Ces deux modèles s'attachent à prendre en compte des conditions aux limites et aux interfaces représentatives des contraintes propres aux industries concernées. Plusieurs séries d'expérimentations (analyse modale et mesure de l'indice d'affaiblissement de plaques simples et multicouches, mesures de conductivité de nids d'abeilles et mesures de température sur maquette multicouche sur un banc aérothermique) permettent de déterminer le domaine de validité des formulations. L'outil ainsi développé étend les modélisations vibro-acoustiques classiques des multicouches à des conditions de montage "réalistes" (boulonnages, plots élastomériques), et propose un modèle complet des transferts de chaleur dans les nids d'abeilles.

Les contraintes économiques, environnementales et sociétales de ces vingt dernières années notamment dans les domaines de l’énergie et des transports ont débouché sur le développement de nouvelles technologies faisant intervenir la combustion pauvre et prémélangée. Ce mode de combustion à partir d'un mélange homogène conduit à des températures de flamme plus faibles qui permettent de réduire les émissions d'oxydes d'azote tout en limitant la production d'oxydes de carbone. Pour autant, la combustion pauvre prémélangée présente le désavantage d’être sensible à toute forme de couplage notamment acoustique, menant à des instabilités de combustion. Ces instabilités sont largement étudiées, mais restent très difficiles à prévoir car elles font intervenir de nombreux phénomènes physiques multi-échelles. Dans la plupart des cas les oscillations résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et l’acoustique du système. Les conditions aux limites acoustiques du système déterminent la structure du champ de pression dans l’installation, ainsi que les flux acoustiques entrants et sortants. Malgré son importance, l’influence des conditions aux limites n’est pas toujours bien comprise et prise en compte et elle ne fait pas l’objet d’études systématiques. Les conditions aux limites acoustiques ne sont pas faciles à déterminer expérimentalement sur des configurations pratiques et leur contrôle est rarement envisagé. L’objectif de ce travail est donc de répondre à ce manque d’information, en étudiant sur un banc de combustion turbulente (CTRL-Z) l’influence de la condition acoustique d’entrée sur les oscillations de combustion auto-entretenues qui apparaissent dans la chambre de combustion. Un système de contrôle a été développé pour piloter l’impédance du système de prémélange de façon passive, sans modification des conditions de fonctionnement ou de la géométrie du brûleur. Ce système de contrôle d’impédance (ICS, « Impedance Control System ») s’appuie sur une utilisation de plaques perforées faiblement poreuses, au travers desquelles circule un écoulement. Un piston mobile permet de piloter la profondeur de la cavité résonante formée en amont des plaques, et ainsi de piloter leurs impédances. L’impédance de ces plaques perforées a été étudiée pour de faibles et de forts niveaux d’excitation acoustique, et un critère de transition entre les régimes linéaire et non-linéaire a été déterminé. L’ICS a été optimisé pour permettre un contrôle du module du coefficient de réflexion de 0 à 1 sur une large plage de fréquences (100 à 1000 Hz) et de niveaux d’amplitude de perturbations (100 à 150 dB) couvrant ainsi la gamme des instabilités thermoacoustiques classiques. L’ICS est utilisé pour contrôler l’impédance d’entrée du système de prémélange du banc CTRL-Z, en regard de la zone de combustion. L’analyse spectrale des fluctuations de pression et de dégagement de chaleur en fonction de l’impédance d’entrée démontre qu’il est possible d’obtenir un amortissement de l’instabilité principale pouvant atteindre 20 dB. Ces résultats sont confirmés par une estimation au premier ordre d’un bilan d’énergie acoustique prenant en compte le terme source dû à la combustion ainsi que les flux acoustiques en amont et aval de la zone de flamme. Ce bilan démontre par ailleurs l’importance du flux d’énergie transmis vers l’amont, du même ordre de grandeur que le terme source, et souligne la nécessité de prendre en compte ces flux pour déterminer correctement le taux de croissance de l’énergie. Finalement, une analyse acoustique de l'installation a été menée pour déterminer la nature des modes d'instabilités observés et pour examiner les conditions nécessaires au bon fonctionnement de l'ICS
Combustion instabilities induced by a resonant flame-acoustic coupling are commonly observed in most applications of combustion from gas turbines to domestic or industrial boilers. These oscillations are detrimental by nature, and are still very difficult to predict at the design stage of a combustor. They imply numerous physical phenomena at multiple scales. They mainly result from a resonant coupling between the unsteady combustion and the acoustics of the system. The basic driving and coupling mechanisms have been extensively studied: acoustics in complex geometries and combustion dynamics of turbulent swirled flames are now reasonably well understood. However the effects of the acoustic boundary conditions on the system stability are less well documented, as they are not easy to access or to control in practical systems. They are however of prime importance as they determine the acoustic fluxes at the inlets and outlets of the combustor, as well as the preferential eigenfrequencies of the system. The main objective of this study is to investigate experimentally the influence of the inlet boundary condition of a generic turbulent burner on the observed self-sustained thermoacoustic oscillations. To carry out this investigation, a passive control solution has been developed. An innovative use of perforated panels with bias flow backed by tunable cavities allows to control the acoustic impedance at the inlet of a lean swirled-stabilized staged combustor (CTRL-Z facility). This impedance control system (ICS) has been initially designed and tested in a high load impedance tube. This facility also allowed to develop a robust impedance measurement technique, along with experimental protocols to measure acoustic velocities and fluxes. The acoustic response of perforates in both linear and nonlinear regimes was investigated as function of the plate porosity, bias flow velocity, back-cavity depth and incident pressure wave amplitude and frequency. The transition between the linear regime and the detrimental nonlinear regime has been linked to the perforates geometrical and operational parameters. As a result the ICS enables control of its acoustic reflection coefficient from 1 to 0 in a wide frequency range, 100 to 1000 Hz, for low and large incident pressure amplitudes (from 100 to 150 dB). The ICS, once implemented on the CTRL-Z facility, allowed to passively control the inlet boundary condition of the combustion rig. The impedance measurement technique was successfully used in harsh combustion situations, with high noise levels, to obtain in-situ measurements of the ICS impedance. Spectral analysis of the pressure and heat-release rate fluctuations demonstrated damping of the main self-sustained oscillation by up to 20 dB. A quantitative estimation of the acoustic energy balance was then obtained, highlighting the importance of the inlet acoustic flux. In this configuration, this term is of the same order of magnitude as the driving Rayleigh source term. Finally, an acoustic analysis of the combustion rig was led to determine the nature of the observed combustion instabilities modes and examine conditions required for an effective use of the ICS

Cette thèse a pour but l'étude de la dynamique de la contrainte thermo-élastique engendrée par des impulsions laser dans des films métalliques minces à basse température par l'observation d'ondes acoustiques solitaires appelées solitons. Les solitons sont des objets physiques aux propriétés remarquables. Ils ont été engendrés et détectés grâce à la technique d'acoustique picoseconde après propagation non linéaire dans des substrats d'arséniure de gallium, de saphir ou de silice. Nous avons ainsi démontré que l'analyse du profil d'un soliton permet d'étalonner de façon absolue le dispositif expérimental ou de retrouver les constantes physiques propres au substrat et au film métallique. Grâce à l'analogie solitons/états liés (déformation initiale/puits quantique), nous avons démontré que la mesure de la distribution temporelle des solitons permet de remonter à l'impulsion de déformation initiale qui les a produits. Comme prédit par le modèle à deux températures, nous avons vérifié expérimentalement que la déformation thermo-élastique est très affectée par la conduction électronique dans un film d'aluminium, contrairement au cas d'un film de titane. Par ailleurs, l'acoustique picoseconde non linéaire permet d'élargir le spectre acoustique jusqu'au térahertz. Cette propriété a été exploitée pour mesurer l'absorption d'une fine couche de silice à 60 K et jusqu'à 650 GHz. En conclusion, par la caractérisation des solitons, l'acoustique picoseconde non linéaire est une méthode performante pour étudier la génération thermo-élastique en régime fortement non linéaire, notamment quand la fluence laser est proche du seuil d'ablation du film métallique
This thesis aims at studying the dynamics of the thermoelastic strain generated by laser pulses in thin metallic films at low temperature by observing solitary acoustic waves called solitons. Solitons are physical objects of remarkable properties. They have been generated and detected by the picosecond acoustics technique after nonlinear propagation in gallium arsenide, sapphire or silicon substrates. Thus we have demonstrated that analysing a soliton's profile allows the absolute calibration of the experimental setup or allows to retrieve the substrate's and metallic film's physical constants. Thanks to the analogy solitons/eigenstates (initial strain/quantum well), we have demonstrated that measuring the solitons' time distribution allows to retrieve the initial strain profile which produced it. As predicted by the two temperature model, we have verified experimentally that the thermoelastic strain is stronlgy affected by electronic conduction in an aluminium film, in stark contrast to titanium films. Furthermore, nonlinear picosecond acoustics broadens the acoustic spectrum up to the terahertz range. This property has been used to measure the absorption in a thin layer of silica at 60 K and up to 650 GHz. As a conclusion, through the characterisation of solitons, non linear picosecond acoustics is an efficient method for studying the thermoelastic generation in a strongly nonlinear regime, especially when the laser fluence is close to the ablation threshold of metallic films

L'influence de l'épaisseur et de la durée de vie des porteurs sur l'efficacité de la mise en résonance d'une membrane clipsée de silicium excitée par effet photo-thermo-acoustique a été étudiée. Pour cela, nous avons modélisé les phénomènes physiques spécifiques aux semi conducteurs mis en jeu afin de connaître leur influence sur la vibration créée pour augmenter l'efficacité de la conversion photo-acoustique. Un modèle analytique du mode d'encastrement de la membrane a également été développé. Puis, un banc expérimental utilisant une diode laser pour l'excitation lumineuse et un vibromètre optique pour la détection des déplacements induits a été conçu pour obtenir la réponse en fréquence de membranes de différentes épaisseurs (de 100 à 3000µm) et durées de vie de porteurs (de 1 à 45µs). Ces essais ont montré un décalage vers les basses fréquences d'environ 1kHz de la fréquence du premier mode de résonance et une faible valeur du facteur de qualité de l'ordre de la dizaine dus au choix de l'encastrement par serrage des wafers de silicium à l'aide de joints toriques en nitrile dans l'air. Cette étude a permis de montrer que, dans nos conditions expérimentales, le facteur de qualité était optimal pour une valeur particulière de l'épaisseur de membrane de l'ordre de 300µm par l'effet combiné de la pression extérieure de l'air ambiant et des pertes dans ce type d'encastrement. L'augmentation de la durée de vie des porteurs n'a pas d'effet sur le facteur de qualité alors qu'il semble faire augmenter légèrement l'amplitude de la résonance
The influence of mechanical housing conditions and electronic properties of clamped silicon wafers in resonance configuration induced by photo-thermal-acoustic effect is studied. First, we have modelised the specific physical phenomena involved in semiconductors in order to increase the efficiency of the photo-acoustic conversion. A simplified model of clamped membrane has also been developed. Next,, an experimental set up to observe this phenomenon and to obtain the frequency response of the membrane has been built to test numerous silicon wafers with thickness from 100 to 3000µm and carrier life time between 1and 45µs. These tests showed a shift to lower frequency of about 1 kHz of the first resonance mode frequency and a low quality factor value of the order of ten due to our choice of soft clamping of silicon wafers using Nitrile O-ring in air. With our experimental conditions, the quality factor was found optimal for a thickness value of about 300µm due to the combined effects of mounting and air losses. The increase of carrier lifetime does not change the quality factor but seems to slightly increase the resonance amplitude

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse concernent les interactions qui existent entre la dynamique tourbillonnaire, générée par un jet isotherme impactant une plaque fendue chauffée, et les champs acoustiques rayonnés par cet écoulement. En effet, nous retrouvons les jets heurtant une grille ou une plaque fendue dans les dispositifs terminaux qui équipent les systèmes de traitement et de renouvellement d’air dans les enceintes habitables. Ils ont été intégrés pour améliorer le mélange et éviter les sensations de courants d’air. Mais dans certaines configurations de soufflage et de confinement ces jets impactants deviennent sources de nuisances sonores, avec l’installation de boucles de sons auto-entretenus qu’ils génèrent. Ces sons auto-entretenus se produisent lorsque l’écoulement interagit avec un obstacle muni de fentes placé sur sa trajectoire. Ainsi, une onde acoustique est générée dans la zone où les structures tourbillonnaires du jet heurtent la plaque fendue, se propage vers l’amont et produit une modulation de la couche de cisaillement près de la sortie du jet et une amplification des instabilités. Cette boucle de rétroaction optimise le transfert d’énergie du champ aérodynamique vers le champ acoustique et crée une source de bruit aéro-acoustique qui peut atteindre des niveaux sonores élevés. Pour mener cette étude, nous nous sommes basés sur un dispositif expérimental capable de simuler les différentes configurations d’écoulements prospectées. Nous avons également utilisé une métrologie spécifique capable de contrôler et de synchroniser le chauffage de la plaque, les mesures acoustiques, et les acquisitions d’images de particules, pour accéder aux champs cinématiques instantanés par une technique de vélocimétrie de plein champ résolue en temps et dans l’espace. Ainsi, des cartes des niveaux acoustiques et des fréquences les plus énergétiques en fonction du rapport d’impact et du nombre de Reynolds ont été établies. L’analyse de ces courbes fait apparaitre des configurations où le bruit généré a un spectre de raies, de fortes intensités, témoignant d’un écoulement organisé. Pour ces configurations, un examen de l’influence de la température de la plaque, heurtée par le jet, sur les grandeurs cinématiques, dynamiques et acoustiques de l’écoulement a été réalisé. Et des tendances marquées ont été relevées
The work carried out within the framework of this thesis concerns the interactions which exist between the vortex dynamics, generated by an isothermal jet impinging on a heated slotted plate, and the acoustic fields radiated by this flow. In fact, impinging jets on slotted plates or meshes are found the terminal parts of ventilation and air treatment systems found in the residential enclosures. They are incorporated to improve mixing and avoid the feeling of air discomfort. But in certain blowing and confinement configurations, these impinging jets become sources of noise pollution, with the installation of self-sustaining sound loops that they generate. These self-sustaining sounds occur when the flow interacts with an obstacle with slots placed in its path. Thus, an acoustic wave is generated in the area where the vortex structures of the jet hit the slotted plate, propagate upstream and produce a modulation of the shear layer near the exit of the jet and an amplification of the instabilities. This feedback loop optimizes the energy transfer from the aerodynamic field to the acoustic field and creates an aero acoustic noise source that can cause high sound levels. To carry out this study, we relied on an experimental device capable of simulating the different flow configurations to be analyzed. We also used a specific metrology capable of controlling and synchronizing the heating of the plate, the acoustic measurements, and the particle image acquisitions, to access the instantaneous kinematic fields by a full-field velocimetry technique resolved in time and in space. Thus, maps of the most energetic sound levels and frequencies as a function of impact ratio and Reynolds number were established. Analysis of these curves reveals configurations where the noise generated has a spectrum of lines, of high intensities, testifying the existence of an organized flow. For these configurations, an examination of the influence of the temperature of the plate, struck by the jet, on the kinematic, dynamic and acoustic quantities of the flow was carried out. And marked trends were noted

Dans la première partie de cette thèse de doctorat une méthodologie est présentée qui permet de prédire les niveaux de suies produits dans des flammes laminaires monodimensionnelles, ou un modèle semi-empirique de suies est utilisé en combinaison avec une chimie complexe et un solveur radiatif détaillé. La méthodologie est appliquée au calcul de suies dans une série de flammes de diffusion à contre-courant d'éthylène/air. Plusieurs modèles d'oxydation de suies sont testés et les constantes du modèle sont ajustées afin de retrouver un meilleur accord avec les expériences. L'effet des pertes thermiques radiatives sur la formation de suies et la structure des flammes est évalué. Finalement, la performance du modèle de suies est évalué sur des flammes prémélangées monodimensionnelles, ou une expression alternative du terme de croissance de surface est proposée pour reproduire les résultats expérimentaux. Dans la deuxième partie de cette thèse, des outils de Simulation aux Grandes Échelles (SGE) et d'analyse acoustique sont appliqués à la prédiction des oscillations de cycle limite (OCL) d'une instabilité thermo-acoustique qui apparaît dans un brûleur académique partiellement prémélangé de méthane/air à pression atmosphérique. La SGE prédit bien l'apparition et le développement des OCL est un bon accord est trouvé entre simulations et expériences en termes d'amplitude et fréquence des OCL. La simulation permet de révéler certains aspects clés responsables du comportement instable de la flamme. Ensuite, une analyse préliminaire de la quantification des incertitudes est fait, ou l'effet des paramètres tels que l'impédance des entrées, le degré de raffinement du maillage ou les pertes thermiques sur les caractéristiques des OCL est évalué. Aussi, la SGE prédit bien la dépendance de la stabilité de la flamme du point d'opération et de la géométrie du brûleur
In the first part of the present PhD. thesis a methodology is presented that allows to predict the soot produced in one-dimensional academic flames, where a semi-empirical soot model is used in combination with a complex chemistry and a detailed radiation solver. The methodology is applied to the computation of soot in a set of ethylene/air counterflow diffusion flames. Several oxidation models are tested and the constants of the model were adjusted to retrieve the experimental results. Also, the effect of radiative losses on soot formation and the flame structure is evaluated. Finally, the performance of the soot model is evaluated on 1D premixed flames, where an alternative expression for the surface growth term is proposed to better reproduce the experimental findings. In the second part of the thesis, Large-Eddy Simulation (LES) and acoustic analysis tools are applied to the prediction of limit cycle oscillations (LCO) of a thermo-acoustic instability appearing in a partially premixed methane/air academic burner operating at atmospheric pressure. The LES captures well the appearance and development of the LCO and a good agreement is found between simulations and experiments in terms of amplitude and frequency of the LCO. Some light is shed on the mechanisms leading to the existence of such instability. Then, a preliminar uncertainty quantification (UQ) analysis is performed, where the effect on the features of the LCO of several computational parameters such as the inlets impedances, mesh refinement or heat losses is assessed. Also, the LES captures well the flame stability behaviour dependence on the operating point and the burner geometry

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

Environmental concerns have motivated turbine engine manufacturers to create new combustor designs with reduced fuel consumption and pollutant emissions. These designs are however more sensitive to a mechanism known as combustion instabilities, a coupling between flame and acoustics that can generate dangerous levels of heat release and pressure fluctuations. Combustion instabilities can be predicted at an attractive cost by Helmholtz solvers. These solvers describe the acoustic behavior of an inviscid fluid at rest with a thermoacoustic Helmholtz equation, that can be solved in the frequency domain as an eigenvalue problem. The flame/acoustics coupling is modeled, often with a first order transfer function relating heat release fluctuations to the acoustic velocity at a reference point. One limitation of Helmholtz solvers is that they cannot account for the interaction between acoustics and vorticity at sharp edges. Indeed, this interaction relies on viscous processes at the tip of the edge and is suspected to play a strong damping role in a combustor. Neglecting it results in overly pessimistic stability predictions but can also affect the spatial structure of the unstable modes. In this thesis, a methodology was developed to include the effect of complex flow-acoustic interactions into a Helmholtz solver. It takes advantage of the compactness of these interactions and models them as 2-port matrices, introduced in the Helmholtz solver as a pair of coupled boundary conditions: the Matrix Boundary Conditions. This methodology correctly predicts the frequencies and mode shapes of a nonreactive academic configuration with either an orifice or a swirler, two elements where flowacoustic interactions are important. For industrial combustors, the matrix methodology must be extended for two reasons. First, industrial geometries are complex, and the Matrix Boundary Conditions must be applied to non-plane surfaces. This limitation is overcome thanks to an adjustment procedure. The matrix data on non-plane surfaces is obtained from the well-defined data on plane surfaces, by applying non-dissipative transformations determined either analytically or from an acoustics propagation solver. Second, the reference point of the flame/acoustics model is often chosen inside the injector and a new reference location must be defined if the injector is removed and replaced by its equivalent matrix. In this work, the reference point is replaced by a reference surface, chosen as the upstream matrix surface of the injector. The extended matrix methodology is successfully validated on academic configurations. It is then applied to study the stability of an annular combustor from Safran. Compared to standard Helmholtz computations, it is found that complex flow-acoustic features at dilution holes and injectors play an important role on the combustor stability and mode shapes. First encouraging results are obtained with surfacebased flame models.

Dans le but d’une introduction en aéronautique civile, la certification des composites à matrice céramique(CMC) requiert la justification de la tenue du matériau durant toute la durée de vie de l’avion (50000h environ),dans des milieux oxydants à haute température et sous les contraintes élevées rencontrées en application. Lebut de cette thèse est d’identifier comment accélérer les essais de vieillissement pour obtenir sur de pluscourtes périodes de temps des essais représentatifs du comportement du matériau en conditions standard. Lecomposite étudié étant doté d’une matrice auto-cicatrisante dont l’efficacité est liée de manière complexe à latempérature et à l’humidité présente dans le milieu oxydant, une compréhension fine des mécanismes dedégradation est nécessaire afin de choisir des leviers d’accélération pertinents. L’influence de paramètresd’essai sélectionnés (pression partielle d’eau, type de chargement mécanique, fréquence de cyclagemécanique, température) sur les cinétiques d’endommagement est analysée, tout en vérifiant que lesmécanismes de dégradation ne sont pas modifiés. La mise en place de méthodes de suivi d'endommagementnon-destructives est indispensable pour quantifier en temps réel les niveaux de dégradation des matériauxsous différentes conditions expérimentales: le suivi par émission acoustique a été utilisé et une techniqueoriginale de suivi par mesure de résistance électrique durant des essais de longue durée a été développée.Deux modèles électro-mécaniques ont été proposés concernant l’évolution de résistance électrique àtempérature ambiante et sous conditions oxydantes. Des estimations de durées de vie basées sur cestechniques ont permis de proposer une méthodologie vers l’accélération d’essais sur CMC
With the aim of an introduction in civil aeronautics, the certification of Ceramic Matrix Composites (CMC)requires to demonstrate the correct behavior of the material during the whole lifetime of the aircraft (about50000h), in high-temperature oxidizing environments and under the stress levels required by the applications.The goal of this thesis is to identify a methodology to accelerate ageing tests in order to get, in shorterdurations, results that are representative of the behavior of the material in standard conditions. The studiedcomposite includes a self-healing matrix which efficiency is linked in a complex way to temperature andhumidity. A thorough understanding of degradation mechanisms is therefore required in order to identifyrelevant accelerating levers. The influence of the selected test parameters (water partial pressure, type ofmechanical loading, frequency of cyclic loading, temperature) on the damage kinetics has been analyzed, whilechecking that the damage mechanisms were not modified. Non destructive monitoring techniques are essentialto quantify in real time the damage level of materials under different test conditions: acoustic emissionmonitoring has been used, and an original method of damage monitoring using electrical resistivity has beendeveloped. Two electromechanical models were proposed, describing the evolution of electrical resistance atroom temperature and under oxidizing conditions. Lifetime estimations based on these techniques led topropose a methodology towards accelerated testing on CMCs

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.

Ce travail vise a mieux comprendre les phénomènes qui régissent la microfissuration des stratifies carbone/matrice organique thermostable. Deux matériaux représentatifs des classes de température 200-250c (t800/5250 et t800/pmr-15), élaborés suivant plusieurs conditions de moulage, ont été étudiés. Il s'agit de déterminer l'influence des paramètres de fabrication sur la sensibilité a la microfissuration d'un drapage modelé 0#2,90#2#s dans des conditions de chargement quasi-statiques (traction uniaxiale) ou en sollicitation thermique alternée : en isotherme, des essais en traction statique interrompus a niveaux de charge croissants ont été effectues a -110, 20# et 250c avec suivi d'endommagement par rayons x et émission acoustique. Les résultats rendent compte d'une hiérarchie des lois d'apparition de fissures en fonction des contraintes thermiques installées. Cette hiérarchie n'est pas remise en cause lorsqu'on modifie la température d'essai. Des modèles analytiques fondes sur un critère énergétique de rupture (Flaggs & Kural, Laws & Dvorak, Nairn) ont été appliques pour prévoir l'accumulation des fissures; des sollicitations thermiques alternées sans chargement mécanique ont été réalisées entre 110 et +250c avec suivi par rayons x et émission acoustique et des courbes d'accumulation de fissures obtenues en fonction du nombre de cycles. La température maximale atteinte au cours de la mise en œuvre gouverne le nombre de cycles nécessaire à l'apparition de la première fissure ainsi que l'état de fissuration final. On met en évidence l'importance de la partie froide du cycle et celle de la vitesse de refroidissement. Dans la limite du nombre d'alternances (n60) qui a pu être explore, l'extension de l'endommagement est seulement fonction de l'amplitude de température et peut être, en première analyse, traitée en termes d'équivalence thermique-mécanique, le rôle de la vitesse restant à préciser.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet EcOBEx, qui consiste à réduire le bruit du groupe motopropulseur rayonné à l'extérieur par l'ajout d'écrans acoustiques dans le compartiment moteur du véhicule. Les écrans acoustiques sont fabriqués par thermocompression de matériaux poreux uniformes. Les propriétés et l'épaisseur du matériau évoluent en fonction du degré de compression subit par le matériau. L'objectif de ce travail est de proposer des lois pour prédire l'évolution des propriétés des matériaux à partir du taux de compression et de leurs valeurs initiales avant compression. Dans un premier temps, on s'intéresse aux paramètres du modèle de fluide équivalent de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) : porosité, résistivité au passage d'air, tortuosité, longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, perméabilité thermique statique. Des expressions analytiques sont proposées pour prédire la variation de ces paramètres en fonction de la compression. Elles sont développées à partir d'un modèle de matériaux fibreux à fibres cylindriques où les variations d'orientation des fibres induites par la thermocompression peuvent être prises en compte. Les résultats sont en bon accord avec les mesures effectuées sur deux types de matériaux (mousse à cellules ouvertes et fibreux). Un modèle empirique généralisé est finalement proposé pour la résistivité au passage d'air. Dans un deuxième temps, on s'attache aux paramètres élastiques dont la connaissance est essentielle pour prendre en compte la vibration du squelette. La méthode expérimentale quasistatique est d'abord appliquée pour étudier l'évolution du module de Young par rapport au taux de compression pour les fibres et les mousses. Une loi de puissance est alors proposée pour prédire ces variations. Enfin, une méthode inverse pour estimer les propriétés élastiques d'un matériau poroélastique orthotrope à partir d'une mesure vibratoire d'un écran tricouche thermo comprimé est proposée. Cette méthode permet de caractériser les propriétés élastiques du matériau poreux dans une situation proche de son application réelle
This work was carried out in the framework of the project EcOBEx, whose main objective was to reduce the passby noise by mean of acoustic shields in the engine compartment of the vehicle. The acoustic shields are manufactured by thermocompression of uniform porous materials. The material’s properties and thickness evolve according to the degree of compression experienced by the material. The objective of this work is to propose some laws to predict the evolution of the materials properties from their initial non compressed values and the compression rate. Firstly, we focus on the parameters of the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) equivalent fluid model : porosity, air-flow resistivity, tortuosity, viscous characteristic lengths, thermal characteristic length, static thermal permeability. Some analytical expressions are proposed to predict the variation of these parameters as a function of compression. They are derived from a physical model of cylindrical fibres where the fibre orientation variations induced by the thermocompression can be taken into account. The results are in good agreement with the measurements made two types of materials (open cell foam and fibrous). A generalized empirical model is finally proposed for the air-flow resistivity.In a second part, we focus on the elastic parameters, which are necessary to take into account the vibration of the skeleton. The quasi-static experimental method is first applied to study the evolution of the Young’s modulus along the compression rate for fibrous and open cell foams. A power law is then proposed to predict these variations. Finally, an inverse method for estimating the elastic properties of an orthotropic poro-elastic material from a vibratory measurement of a thermocompressed three layer sandwich structure is proposed. This method allows us to characterize the elastic properties of a porous material in a situation close to its actual application

Pratiquement toutes les chambres de combustion présentent des instabilités. Par conséquent, il est nécessaire de mieux les comprendre afin de les contrôler. Une possibilité est de simuler l'écoulement réactif à l'intérieur d'une chambre de combustion grâce à la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cependant la SGE est très coûteuse en terme de capacité de calcul. Une autre possibilité est de réduire la complexité du problème à une simple équation d'onde thermoacoustique (équation dite de Helmholtz), qui peut être résolue en fréquence comme un problème aux valeurs propres. Le couplage entre l'acoustique et la flamme est alors prise en compte au travers des modèles appropriés. Le principal problème de cette méthode est qu'elle repose sur l'hypothèse d'un nombre de Mach nul. Tous les phénomènes liés à l'écoulement moyen sont donc négligés. La présente thèse propose une nouvelle stratégie pour prendre en compte certains effets de l'écoulement dans un contexte à Mach nul. Dans une première partie, la manière la plus judicieuse d'imposer un élément présentant un écoulement très rapide est étudiée. La seconde partie se focalise sur le couplage entre l'acoustique et les hétérogénéités de température qui sont générées par la flamme et naturellement convectées par l'écoulement moyen. Ce phénomène est important car il est responsable du bruit indirect de combustion qui peut conduire à une instabilité thermoacoustique. Un nouveau type de condition limite (DECBC) est proposé afin de prendre en compte ce mécanisme dans un contexte de résolution de l'équation de Helmholtz à Mach nul. Dans la dernière partie, une chambre de combustion aéronautique présentant une instabilité mixte acoustique/entropique est étudiée. Le bénéfice des méthodes développées dans la présente thèse est testé et comparé à des calculs avec la SGE. Il est montré que les calculs avec un solveur de Helmholtz peuvent reproduire une instabilité de combustion complexe, et que cet outil s'avère avoir le potentiel pour prédire les instabilités afin de concevoir de nouvelles chambres de combustion.