Academic literature on the topic 'Mécanismes d'instabilité'

L’analyse et la compréhension du comportement instationnaire des écoulements de conduites segmentées en présence d’une source tourbillonnaire d’obstacle (VSO) qui interagit active et passivement en fonction de l’évolution de la géométrie interne de la chambre, constituent l’objectif principal de ce présent mémoire. Les investigations expérimentales au sein d’un banc d’essai gaz froid permettent d’identifier les mécanismes d’interaction tourbillonnaire, notamment le rôle potentiel d’un obstacle saillant comme source d’instabilités aérodynamiques. Une étude fluide/structure est proposé, où, à la fois, un obstacle rigide est asservit d’une oscillation à une fréquence forcé (obstacle active), mais également un obstacle flexible qui est caractérisé par une réponse fréquentiel qui lui est propre (obstacle passive). Les conséquences sur le développement des vortex shedding ainsi que les mécanismes d’interaction tourbillonnaires sont mis en évidence en utilisant des techniques de mesure et visualisation qu’ont permis l’analyse et compréhension des mécanismes en jeu parmi deux configurations géométriques que ciblent reproduire différents moments de la vie du propulseur. Si pour un obstacle active la source tourbillonnaire de paroi (VSP) est dominant, pour un obstacle passive une réduction sensible sur les fluctuations de vitesse est vérifié au sein de la couche de cisaillement (VSO) que dans de conditions particulières ont conduit à un effet de laminarisation de l’écoulement
Analysis of segmented flow field in a confined chamber was carried out in order to estimate the role of the vortex shedding sources. Specific attention was given to the potential interaction between vortex shedding that arises from thermal inhibitor and vortex generation issued from the injecting walls. Experimental investigations were carried out with an adapted cold gas experimental set-up and analyses were specifically study the fluid/structure potential role on the two vortex source of instability. Two different fluid/structure analyses were considered. First, a forced flapping movement induced from an adapted mechanical system allows one to force the thermal inhibitor motion. A flexible obstacle was also analysed in order to shed light on the potential passive control of instability. For a forced coupling, it was found that the wall injection vortex shedding was dominant as source of instability while introducing a flexible obstacle provides a significant reduction of the instability. The amplitude of such reduction is found to be linked to the thickness of the obstacle and the considered Mach number of the flow field. It strongly depends also to the internal geometry i. E. That controls directly the interaction of the vortex sources

La thèse porte sur l'étude de l'instabilité dynamo et est composée de trois parties. La première est une étude du problème d'instabilité linéaire et de l'effet de la turbulence sur le seuil d'instabilité. La turbulence agit comme un bruit multiplicatif sur le champ magnétique et d'autres instabilités entrant dans ce cadre ont été étudiées expérimentalement et analytiquement. La seconde partie traite du problème de saturation du champ magnétique. Dans un cas particulier, une équation d'amplitude pour le mode instable est déterminée près du seuil d'instabilité. Le résultat est alors généralisé à d'autres exemples d'écoulements et diverses lois d'échelle pour l'énergie à saturation sont déterminées. La troisième partie présente l'étude expérimentale d'un écoulement tourbillonnaire de sodium liquide réalisé dans l'expérience VKS (von Karman Sodium). La mesure du champ magnétique dans un écoulement soumis à un champ extérieur permet de mettre en évidence les divers mécanismes d'amplification du champ.

Cette thèse est dediée à l'étude des mécanismes d'instabilité non-modaux dans les écoulements cisaillés, principalement des couches de mélange. On se concentre sur les perturbations linéarisées qui ont la plus grande croissance d'énergie à un temps donné, les 'perturbations optimales', différentes du mode propre le plus instable pour les systémes non-normaux. Une description originale de la non-normalité et ses conséquences est donnée dans le chapitre 2. Le chapitre 3 traite du mécanisme de 'lift-up' dans le cas des perturbations longitudinales non-visqueuses sur un écoulement de base parallèle et arbitraire. On trouve une nouvelle équation 1D qui détermine l'ensemble des perturbations orthogonales, dont l'optimale, et permet de trouver des nouveaux résultats exacts et asymptotiques. Dans le chapitre 4 on s'intéresse aux instabilités secondaires d'une couche de mélange en utilisant comme état de base l'écoulement 2D instationnaire et non-linéaire pour calculer les perturbations optimales 3D. Selon le nombre d'onde et les temps d'optimisation (initial et final), on retrouve comme réponses optimales les perturbations de types 'elliptique' et 'hyperbolique'. Dans les chapitres 5 et 6 on considère une stratification en densité dans la direction orthogonale au plan de l'état de base, et on utilise une décomposition de 'Craya-Herring' pour analyser les perturbations en termes de leur contenu en ondes internes et vorticité verticale. Les équations d'évolution des perturbations linéarisées autour d'un état de base 2D général sont obtenues et analysées au niveau de l'énergie onde/tourbillon. Ces résultats sont appliqués dans le chapitre 6 pour analyser la génération et l'émission d'ondes dans les perturbations optimales sur une couche de cisaillement horizontale.

Cette thèse est dediée à l'étude des mécanismes d'instabilité non-modaux dans les écoulements cisaillés, principalement des couches de mélange. On se concentre sur les perturbations linéarisées qui ont la plus grande croissance d'énergie à un temps donné, les 'perturbations optimales', différentes du mode propre le plus instable pour les systémes non-normaux. Une description originale de la non-normalité et ses conséquences est donnée dans le chapitre 2. Le chapitre 3 traite du mécanisme de 'lift-up' dans le cas des perturbations longitudinales non-visqueuses sur un écoulement de base parallèle et arbitraire. On trouve une nouvelle équation 1D qui détermine l'ensemble des perturbations orthogonales, dont l'optimale, et permet de trouver des nouveaux résultats exacts et asymptotiques. Dans le chapitre 4 on s'intéresse aux instabilités secondaires d'une couche de mélange en utilisant comme état de base l'écoulement 2D instationnaire et non-linéaire pour calculer les perturbations optimales 3D. Selon le nombre d'onde et les temps d'optimisation (initial et final), on retrouve comme réponses optimales les perturbations de types 'elliptique' et 'hyperbolique'. Dans les chapitres 5 et 6 on considère une stratification en densité dans la direction orthogonale au plan de l'état de base, et on utilise une décomposition de 'Craya-Herring' pour analyser les perturbations en termes de leur contenu en ondes internes et vorticité verticale. Les équations d'évolution des perturbations linéarisées autour d'un état de base 2D général sont obtenues et analysées au niveau de l'énergie onde/tourbillon. Ces résultats sont appliqués dans le chapitre 6 pour analyser la génération et l'émission d'ondes dans les perturbations optimales sur une couche de cisaillement horizontale.

L'objectif de ce travail est d'étudier de façon expérimentale et théorique les mécanismes instationnaires d'ébullition en milieux poreux. Nous nous sommes intéressés au problème de l'ébullition dans une couche poreuse constituée d'un empilement de micro-billes de verre saturé d'eau. L'étude expérimentale a consisté tout d'abord à mettre en place un nouveau dispositif pour lequel l'ébullition se fait sous une condition à la limite inférieure de type imperméable à température imposée et une condition limite sur la surface supérieure perméable à température opposée. Différentes expériences sont présentées pour lesquelles nous avons modifié la taille des billes. Pour des billes de diamètre 40-70 et 100-160 microns, un régime stable est obtenu correspondant à la superposition d'un film vapeur, d'une zone diphasique à la température d'ébullition et d'une zone liquide. Pour des billes de diamètre 200-250 microns, un régime instable périodique avec un mouvement du front zone diphasique zone liquide de grande amplitude est observé. Enfin, pour des billes de diamètre 800-1200 microns, alors que la zone supérieure liquide est le siège d'un mouvement de convection naturelle turbulente, on observe un retour à la stabilité du front. Le rôle respectif d'une instabilité gravitationnelle, de la convection naturelle et du mouvement du front est examiné à partir d'analyses linéaires de stabilité
The aim of this work is to study some experimental and theoretical aspects of unsteady mechanisms of boiling in porous media. We are interested in the case of boiling in a porous layer of glass beads saturated with water. A new experimental device has been built up with the following boundaries conditions: at the bottom impervious and imposed temperature ; at the top permeable and imposed temperature. Various experiments are presented for different sizes of beads. For beads of diameter 40-70 and 100-160 microns, a stable state is obtained with the superposition of a vapor film, a two-phase zone at the boiling temperature and a liquid zone at the top. For beads of diameter 200-250 microns, a unsteady periodic state with a movement of large amplitude of the front between the two-phase region and the liquid zone is observed. Last, for beads of diameter 800-1200 microns, whereas turbulent natural convection is present in the upper liquid zone, a return to the front stability is observed. The influence of a gravitational instability, of the natural convection and of the front movement is investigated using linear stability analyses

Cette étude expérimentale vise à analyser les mécanismes d'instabilité dans un brûleur à injection étagée. Pour cela, un brûleur académique a été dimensionné de façon à être représentatif des turbines industrielles. La caractérisation complète de ce brûleur a ensuite été réalisée par la mise en place de diagnostics variés. L'analyse spectrale des régimes de fonctionnement du brûleur a mis en évidence des régimes instationnaires, propices au développement d'instabilités. En parallèle, les émissions polluantes sont minimales pour les pulsations maximales, du fait de l'amélioration locale du mélange. Cet effet antagoniste est associé à l'effet local de l'étagement sur la structure, et plus particulièrement, sur la position du point de stabilisation de l'écoulement. L'étude aérodynamique de l'écoulement non-réactif a permis d'identifier un " vortex breakdown ", méthode classique de stabilisation des écoulements à fort nombre de swirl. Plus précisément, l'écoulement rotationnel induit un " Precessing Vortex Core " avec une importante zone de recirculation interne. La fréquence de rotation de la structure a été estimée proche des fréquences rencontrées dans les mécanismes d'instabilité, la similarité entre écoulement froid et réactif restant à déterminer. Une étude précise de la structure de flamme nous a permis d'associer l'effet de l'étagement à la position et la forme globale de la zone de réaction. Fort de l'expérience acquise sur le brûleur académique concernant les mécanismes d'instabilité, une configuration semi-industrielle est étudiée. L'établissement de la fonction de transfert du brûleur doit permettre l'analyse de stabilité du système
This experimental study aims to analyse instability mechanisms in an injection-staged burner, as in gas turbines. Therefore, an academic burner has been designed to be representative of industrial configurations. The complete characterization of this burner has been performed with different diagnostics: laser induced fluorescence, particle imaging velocimetry, laser tomography, etc. Spectral analysis of the burner has revealed non-stationary regimes, necessary in the development of unstable modes. In parallel, pollutant emissions are minimized for high levels of pulsation, as mixing is locally improved. This antagonist behaviour is associated to the influence of staging on flame structure and more particularly on the position of flame stabilization. A study of non-reactive flow aerodynamics enables to identify a “vortex breakdown” stabilization, typical of high-swirl burners. Precisely, the swirl movement implies a structure of “Precessing Vortex Core”, with an important internal recirculation zone. The stagnation point of this PVC is located in the injection system. The rotation frequency of the structure has been estimated near frequencies observed for unstable regimes. But, the similarity between non-reactive and reactive flows needs to be demonstrated. A detailed study of flame structure points out the link between staging and global shape and position of the reaction zone. With knowledge acquired on academic burners concerning instability mechanism, an industrial configuration has been implemented. The establishment of transfer functions enables to analyse the response of the burner to external pulsations

Un grand nombre de problèmes de combustion sont rencontrés dans le développement et l'amélioration des systèmes propulsifs. Ces problèmes concernent surtout l'allumage, la stabilisation de la flamme, le phénomène d'extinction et les oscillations de pression de basse et de haute fréquence. Ces divers aspects sont étudiés dans cette thèse à l'aide d'un dispositif expérimental simulant l'injection et la combustion dans le moteur Vulcain de la fusée Ariane 5. La conception du foyer s'appuie sur une analyse des conditions de similitude. La configuration retenue comporte six flammes non prémélangées d'air et de propane ou d'air et d'hydrogène. Le mécanisme d'allumage est analysé par cinématographie rapide et strioscopie. L'initiation de la combustion a lieu uniquement à faible débit d'air et forte richesse. L'émission moyenne des radicaux libres C2, CH et OH a permis de localiser et caractériser les zones de réaction vive, ce qui a rendu possible la détermination du délai d'inflammation. Ces mesures ont été utilisées dans des comparaisons avec des modèles théoriques décrivant la combustion turbulente non prémélangée. L'analyse spectrale des signaux acoustiques et du dégagement de chaleur instationnaire à différents débit d'air et rapport d'équivalence, a montré l'existence de deux types d'oscillations de basse fréquence: (1) Une oscillation de grande amplitude à 230Hz. Cette fréquence correspond à l'un des modes longitudinaux de l'installation. Le couplage entre ce mode acoustique et le dégagement de chaleur instationnaire s'effectue par des fluctuations de vitesse au niveau des fentes d'entrée, produisant une combustion cyclique. Ce phénomène a été analysé à l'aide d'un modèle basé sur la théorie de Crocco et le concept du délai total, (2) Une oscillation à 360 Hz due à l'interaction par collision périodique des différentes nappes de flamme et entraînant l'extinction partielle des injecteurs. Une méthode originale d'excitation modale a permis de mettre les flammes en oscillation transverse. Les visualisations effectuées par cinématographie rapide en strioscopie montrent que les nappes de flamme prennent une forme en dent de scie. Les observations faites sur la réponse des différentes nappes de flamme à l'excitation montrent qu'il est possible de modéliser e dégagement de chaleur instationnaire en faisant intervenir un couplage avec la fluctuation transversale de vitesse à l'injection. Le modèle proposé s'appuie sur l'idée que les déplacements produits dans le plan d'injection par des fluctuations de la vitesse transversale conduisent à une augmentation du mélange des réactifs qui se traduit après un certain délai par un dégagement de chaleur accrue. Les résultats obtenus font apparaître que ce couplage nécessite la présence d'au moins deux modes. Ce modèle donne une base théorique aux observations effectuées à l'aide de l'excitation modale
Many combustion problems have to be adressed for the design of a cryogenic rocket engine. The most important questions are ignition, flame stabilisation, extinction, pressure oscillations at low and high frequencies. These different phenomena are studied in a model combustor simulating the injection and the combustion process of the Ariane 5 rocket engine. The design of the combustor is defined by dimensional analysis. The similarity criteria retained lead to a six non-premixed flames of air and propane or air and hydrogen. Ignition mechanisms are studied with high speed schlieren imaging. It is found that the flame is ignited at very low air mass flow rate and high equivalence ratio. C2, CH and OH radiation measurements provide information on the heat release in the reaction zone and allow a determination of the ignition time lag. These results can be used for comparisons with numerical models of non-premixed flames. Spectral analysis of both the acoustic and free radicals light emission signais detected for each operating conditions shows that combustion instabilities occur when the pressure fluctuations are coupled with the heat release. We identify two different instability modes : (1) an intense low frequency pressure oscillations at 230Hz with periodic combustion. Large velocity fluctuations are produced at the injection plane and lead to cyclic reaction initiation and quenching. The coupling between the heat release and the acoustics is shown to drive the fluctuations. A theoretical model is proposed to determine low frequency instability limits in such circumstances, (2) a low frequency instability at 360 Hz produced by the interaction between the different flames taking the form of intense collisions and leading to total extinction of one or several injectors. Mode selective excitation is used to drive high frequency transverse oscillations. A theoretical formulation of the acoustic forcing in the combustor without flow and free of chemical reaction provides results which are in satisfactory agreement with experimental data. With combustion and under selective excitation the flames exhibit striking features. A sinuous motion is set up. These observations suggest that the unsteady heat release can be expressed in terms of the velocity fluctuations at the inlet plane. An instability model with heat release is then developed and it relies on the combustion sensitivity to velocity fluctuations. The displacements produced by the transverse velocity at the dump increase the mixing and activate the heat release after a certain delay. It is found that the coupling between heat release and transverse velocity fluctuations requires the presence of two modes. This model gives a theoretical basis for the experimental study performed with excitation

Les fans modernes à faible vitesse de rotation à très haut taux de dilution (Ultra-High Bypass Ratio, UHBR) opèrent principalement sur la partie plate de la caractéristique de compression, ont des lon-gueurs de l'entrée d'air plus courtes et sont constitués d'aubes en composites flexibles et légères. Ces changements favorisent l'évolution de différents types d'instabilités avec des interactions multi-physiques telles que les vibrations non-synchrones convectives (NSV). Pour permettre de nouvelles avancées technologiques, des données de référence expérimentales sur des géométries représenta-tives sont nécessaires. Dans ce contexte, le projet européen CATANA a été initié à l'Ecole Centrale de Lyon. Le fan ECL5 a été conçu comme une configuration ouverte selon les directives industrielles et testé expérimentalement sur le banc d'essai ECL-B3. Cette thèse présente les résultats expérimen-taux du projet CATANA. L'investigation expérimentale de la configuration de référence ECL5 montre que les objectifs de conception ont été atteints. La machine est opérationnelle sur une large plage de fonctionnement et les performances aérodynamiques au point de design coïncident exactement avec les prédictions numériques. En revanche, les mécanismes d'instabilité sont plus complexes que ceux prédits. Par l'application d'une instrumentation multi-physique synchronisée, l'interaction fluide-structure complexe impliquée est résolue. L'analyse de l'influence des conditions d'entrée et de la symétrie géométrique et structurel du système permet d'identifier la sensibilité des caractéristiques aérodynamiques et structurelles ainsi que du comportement près de la limite de stabilité. L'investiga-tion d'une deuxième configuration de rotor présentant un désaccordage structurel met en lumière l'importance des variations géométriques d'aube à aube. Elles provoquent une asymétrie du champ aérodynamique en tête d'aube et suppriment des perturbations aérodynamiques se propageant de manière cohérente, retardant le NSV. Les résultats présentés dans cette thèse offrent une caractéri-sation complète du fan ECL5 et servent de jeu de données de référence pour la validation des simula-tions numériques
Modern low-speed Ultra-High Bypass Ratio (UHBR) fans operate predominantly on the flat part of the compression characteristic, have shorter intake lengths, and employ flexible, lightweight, composite blades. These changes promote the evolution of different types of instabilities with multi-physical interactions such as convective non-synchronous vibration (NSV). To enable further technological ad-vancements, experimental benchmark data on representative geometries required. Within this con-text, the European project CATANA was initiated at Ecole Centrale de Lyon. The open-test-case fan stage ECL5 was designed, following industrial guidelines, and tested experimentally on the facility ECL-B3. This thesis presents the experimental results of the CATANA project. The experimental investiga-tion of the ECL5 reference configuration shows that all design goals have been reached. The machine is operational in a wide range and aerodynamic performance at design condition is exactly coincident with the numerical prediction. In contrast, instability mechanisms are more complex than predicted by the employed numerical methods. Through application of synchronized multi-physical instrumenta-tion, the involved complex fluid-structure interaction is resolved. The analysis of the influence of in-flow conditions and geometrical and structural system symmetry allows to identify the sensitivity of aerodynamic and structural characteristics and the behavior close to the stability limit. The investiga-tion of a second rotor configuration featuring structural mistuning highlights the importance of geo-metrical blade-to-blade variations. They cause an asymmetry of the aerodynamic field at the blade tip and suppress coherently propagating aerodynamic disturbances resulting in a delayed onset of NSV. The results presented in this thesis provide a comprehensive multi-physical characterization of the ECL5 fan stage and serve as a benchmark data set for the validation of numerical simula-tions

Cette thèse présente une étude des instabilités haute-fréquence dans les moteurs-fusées. Ce phénomène, qui a posé de nombreux problèmes dans les programmes de développement de moteur, est abordé de trois façons complémentaires : expérimentalement, théoriquement et numériquement. Premièrement, des expériences sont menées afin d’identifier les principaux processus et d’apporter les mécanismes ayant lieu lorsque le moteur devient instable. Pour parvenir à ce stade, un nouveau modulateur (VHAM), capable de créer des ondes acoustiques représentatives de ce qui se produit dans un moteur réel, est conçu et caractérisé. La deuxième partie concerne l’analyse théorique. Deux modèles (FAME, SDM) sont développés en suivant les principales conclusions de la campagne expérimentale : les oscillations de dégagement de chaleur sont dues au mouvement transverse des flammes, et le phénomène est déclenché lorsque des gouttelettes deviennent suffisamment petites pour être convectées par le champ acoustique. En utilisant ces modèles comme base de référence, un code numérique (STAHF) est présenté. Son but est de rendre compte des mécanismes déjà identifiés pour un coût de calcul faible. Il est ensuite montré qu’il peut être utilisé pour étudier des moteurs-fusées grandeur nature. La LES compressible est choisie pour étudier l’interaction entre l’acoustique et la combustion numériquement. Un nouveau modèle de combustion pour flammes non-prémélangées basé sur une hypothèse de chimie infiniment rapide est présenté et validé sur une flamme bien documentée (H3). Il est ensuite utilisé pour étudier l’interaction entre une onde acoustique transverse et la flamme H3. Une comparaison entre le terme source de Rayleigh calculé à partir de la simulation et celui prédit par le modèle théorique FAME est finalement menée
This thesis presents a study of high frequency instabilities in rocket engines. This issue, which has plagued many engine development programs, is approached by three complementary viewpoints: experimental, theoretical, and numerical. First, experiments are carried out to identify the main processes involved and bring forth mechanisms taking place when an engine becomes unstable. To achieve this stage, a new modulator (the VHAM), capable of creating acoustic waves representative of what occurs in an actual engine, is designed and characterized. The second part of this thesis concern theoretical analysis. Two models are developed following the main conclusions of the experimental campaign: heat release oscillations are due to the transverse flames’ motion, and the phenomenon is triggered when droplets become small enough to be convected by the acoustic field. Using these models as a baseline, a numerical code (STAHF) is presented. Its purpose is to account for mechanisms identified previously for little computational cost. This code is validated on particularly responding situations observed during experiments. It is then shown that it can be used to study real scale rocket engines. The third point of view adopted to address the problem is numerical simulation. Full compressible LES is chosen to study the interaction between acoustics and combustion. A new combustion model for non-premixed flames with infinitely fast chemistry is presented and validated on a well documented flame (H3). It is then used to study the interaction between a transverse acoustic wave and the H3 flame. A comparison between the Rayleigh source term computed from the simulation and the one predicted by the theoretical model FAME is conducted eventually