Impact of Flow Rotation on Flame Dynamics and Hydrodynamic Stability

Cette these a pour but l’etude de la rotation de l’ecoulement des grandes echelles dans deux configurations. La premiere configuration se concentre sur l’effet de la rotation de l’ecoulement sur une flamme laminaire. Elle est stabilisee dans le sillage d’un cylindre. La rotation de l’ecoulement est introduite en faisant tourner le cylindre autour de son axe. La simulation numerique directe (Direct Numerical Simulation (DNS)) montre que la rotation du cylindre rompt la symetrie des deux branches de la flamme. La fonction de transfert de flamme (Flame Transfer Function (FTF)), obtenue grâce a l’inversion de Wiener-Hopf, indique qu’un faible taux de rotation reduit le gain de la FTF et donc la flamme devient presque insensible aux perturbations acoustiques a une frequence donnee. De plus, il est demontre que cette diminution du gain est due a une interference destructive des fluctuations de chaleur produites par les deux branches de la flamme. La frequence a laquelle le gain de la FTF devient presque nul est ajustable par la vitesse de rotation du cylindre. Cette etude suggere que le controle de la symetrie de la flamme pourrait etre un outil de controle en boucle ouverte des instabilites thermoacoustiques. Dans le cas de la deuxieme configuration, la rotation de l’ecoulement est induite par une instabilite hydrodynamique, aussi nommee Precessing Vortex Core (PVC) dans un systeme d’injection de carburant industriel. Des experiences et des simulations aux grandes echelles (Large Eddy Simulation (LES)) montrent que l’ecoulement non-reactif dans l’injecteur pri- maire peut etre decompose en une contribution moyenne et un PVC. Cette instabilite hydro- dynamique est etudiee par l’analyse de stabilite lineaire (Linear Stability Analysis (LSA)) en utilisant deux approches differentes (locale et BiGlobale). Les resultats de l’experience, de la LES et de la LSA demontrent que le montage d’une tige centrale a l’interieur de l’injecteur stabilise le PVC. De plus, le meme injecteur industriel est etudie dans le cas d’un ecoule- ment reactif par LES. Les resultats demontrent que la flamme stabilise le PVC. L’analyse de stabilite BiGlobal montre que le gradient de densite dans le front moyen de la flamme a un effet important sur l’amortissement du PVC. Enfin, l’impact de la tige centrale est egalement etudie pour le cas reactif. La tige centrale impacte marginalement la forme globale de la flamme, mais a un effet positif sur l’accrochage de la flamme dans la zone de combustion pauvre. En comparant deux cas par LSA, celui avec la tige et celui sans la tige, les resultats suggerent que la tige augmente considerablement l’amortissement du PVC. Cela pourrait causer une diminution de la turbulence dans l’ecoulement et empecher l’extinction de la flamme et donc expliquer l’influence benefique de la tige sur la stabilisation de la flamme.