Characterisation of the Early Ignition Phase Generated by a Sunken Fire Igniter / Alessandra Matino ; sous la direction de Marc Bellenoue et de Julien Sotton

Résumé / Abstract : Les restrictions environnementales abordent la réduction de l’utilisation des sources d’énergie primaires, motivant la recherche pour progresser vers des technologies améliorées. Parallèlement à ces efforts, la fiabilité et les performances doivent être assurées, en particulier dans des conditions délicates de pression et de température, c’est-à-dire en haute altitude. Dans les moteurs à turbine à gaz, ces deux éléments sont cruciaux pour offrir des produits qui répondent aux besoins et aux attentes fixés par le scénario actuel. L’allumage est un processus multiphysique constitué de plusieurs phases et événements qui concourent en couvrant une gamme diversifiée d’échelles de temps caractéristiques. La résolution numérique de la phase d’allumage précoce, pour laquelle des informations fines et détaillées font défaut, est étudiée dans cette étude. L’efficacité de l’allumeur est estimée par calorimétrie dans de l’air sec, ce qui montre que les variations de pression initiale ont une influence sur l’efficacité. La même étude a révélé que la température (20 ° C; - 20 ° C) par ailleurs a un effet négligeable. Les propriétés physiques du noyau en termes de volume, surface, surface de projection, rayon de l’arc électrique établi dans la cavité, sont estimées en adoptant différents diagnostics optiques, notamment de l’imagerie ultra rapide, strioscopie et ombroscopie à 1 MHz. Des calculs sont effectués pour obtenir une évolution temporelle pendant le temps de dépôt d’énergie (130 μs). Un effet de la pression initiale est observé sur les propriétés du noyau de telle sorte que avec la réduction de la pression initiale le volume du noyau augmente. De plus, des visualisations directes filtrées de la cavité de l’allumeur montrent qu’un effet de pression est discerné à partir de 20 μs. La taille du noyau est également mesurée pour des prémélanges de méthane pour différentes richesses. Cela vise à déterminer l’influence de la variation de la composition par rapport à un cas de référence dans du N2 pur qui est comparé aux mesures dans des prémélanges gazeux (à la fois de nature inerte CH4 / N2 et réactive CH4 / O2 / N2). Une comparaison entre les cas inertes et réactifs expose des réactions de combustion actives déjà pendant le dépôt d’énergie. Pour étudier l’exposition aux éléments d’un environnement réel, l’impact d’un écoulement transverse dans des conditions ambiantes est étudié dans une soufflerie. Cela a été adapté pour simuler l’effet combiné de l’écoulement transverse et de l’air de refroidissement auquel l’allumeur est exposé en étant monté dans une douille. L’effet de la douille sur la projection du noyau est étudié, révélant un impact sur la projection et la déformation du noyau en fonction de la vitesse imposée. La génération du noyau est examinée dans un écoulement réactif prémélangé à 0,45 et 1 bar. Le champ de vitesse a été étudié au préalable par PIV pour connaître la vitesse à proximité de l’allumeur et dans le domaine spatial où le noyau est projeté. Trois conditions de vitesse sont retenues pour effectuer la décharge. Il est observé que la pression initiale influence la déformation subie par le noyau en fonction de la vitesse initiale. En effet, à 1 bar, le noyau est préservé plus longtemps. Un effet secondaire de richesse est trouvé. Une étude préliminaire est réalisée pour explorer l’interaction entre le noyau et un spray de gouttes à 0,45 bar et 1 bar. Le fuel utilisé est du décane. L’ombroscopie à fort grossissement est le diagnostique utilisée pour effectuer des statistiques sur une fenêtre spatiale de 2 x 2 cm où des gouttelettes sont observées se déposer sur les électrodes. Des variations de leurs propriétés sont détectées en fonction de la synchronisation avec la décharge. Des visualisations par strioscopie sont ensuite réalisées pour observer qualitativement les phénomènes apparaissant dans une fenêtre temporelle de 1 ms. Le modèle existant de Taylor-Sedov est testé pour déterminer les capacités prédictives.

Résumé / Abstract : Environmental restrictions tackle the reduction of the use of primary sources of energy motivating research to advance towards upgraded technologies. Alongside with these efforts, reliability and performance need to be ensured, especially for detrimental conditions of pressure and temperature, i.e. high altitude. In gas turbine engines, both these elements are crucial to offer products that fit to both the needs and expectations set by the present scenario. Ignition is a multiphase process constituted by several phases and events that span a diversified range of characteristic time scales. The numerical resolution of the early ignition phase, for which fine and detailed information is lacking, is investigated in this study. The efficiency of the igniter is estimated through calorimetry in pure air, which shows that variations of initial pressure have an influence on efficiency. The same investigation revealed that temperature (20° C; - 20°C) has a negligible effect. Physical properties of the kernel in terms of volume, surface, projection surface, radius of the arc channel in the cavity, are estimated adopting different optical diagnostics, including schlieren and shadowgraphy imaging at 1 MHz. Calculations are done to obtain a temporal evolution during energy depositing time (130 μs). An effect of initial pressure is observed on kernel properties such that reducing the initial pressure, kernel volume increases. Furthermore, filtered direct visualizations of the igniter cavity show that an effect of pressure is discerned from 20 μs. Kernel size is also measured for methane premixed mixtures of different equivalence ratios. This is intended to determine the influence of composition variation with respect to a reference case in pure N2 which is compared to measurements in gaseous premixed mixtures (both of inert CH4 / N2 and reactive CH4 / O2 / N2 nature). A comparison between inert and reactive cases exposes active combustion reactions already during energy deposition. To investigate the exposure to real life environment elements, the impact of a transverse flow at ambient conditions is studied in a wind tunnel. This was adapted to simulate the combined effect of a transverse flow and cooling air spilled from the liner that the igniter is exposed to by being mounted in a sleeve. The effect of the sleeve on kernel projection is investigated, which reveales an impact on projection and kernel deformation depending on the imposed velocity. The generation of the kernel is examined in a reactive premixed swirled mixture at 0.45 and 1 bar. The velocity field have been studied beforehand by PIV to know the velocity in the vicinity of the igniter and in the spatial domain where the kernel is projected. Three velocity conditions are retained to perform the discharge. Initial pressure is observed to influence the deformation the kernel undergoes depending on initial velocity. At 1 bar, the kernel appears to be preserved for longer. A secondary effect of equivalence ratio is found. The existing model of Taylor-Sedov is tested to predict kernel properties and compare them to experimental measurements. A preliminary study is performed to explore the interaction between the kernel and a spray at 0.45 bar and 1 bar. High magnification shadowgraphy is used to run statistics on a spatial window of 2 x 2 cm where droplets are observed impinging on the electrodes. Properties variations are detected depending on the synchronization with the discharge. Schlieren visualizations are further performed to observe phenomena to qualitatively explore the dynamics appearing in a time window of 1 ms.