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Spécial “ Acoustics’08 ” - Part II
Acoustique
&
Techniques n° 54-55
Influence des conditions aux limites acoustiques sur le bruit de combustion en configuration confinée
Le banc expérimental
L’installation expérimentale (Figure 1) comprend un brûleur
à combustion partiellement prémélangée, connecté à
une chambre de combustion rectangulaire de 50 cm de
long avec une section carrée de 10x10 cm
2
. Le système
d’injection est composé de deux étages identiques dans
lequel les injections tangentielles de l’air et du propane
créent un fort écoulement tournant, ou swirl en anglais
(nombre de swirl supérieur à 0,6) dans un canal d’injection
de diamètre D = 30 mm. Le brûleur fonctionne en
combustion pauvre en combustible (richesse entre 0,7 et
0,95). L’injecteur est relié à la chambre de combustion par
le biais d’une jonction en céramique, avec une importante
variation de section (S
2
/S
1
= 14 avec S
1
section de
l’injecteur et S
2
de la chambre). La chambre est composée
de deux hublots en quartz de chaque côté et des parois en
béton réfractaire en haut et en bas. La plaque supérieure
est équipée de trois emplacements espacés régulièrement
pour les mesures acoustiques (M5, M6 et M7) à l’intérieur
de la chambre.
Comme esquissé dans la figure 1, l’injecteur est également
équipé de ports à microphone sur chaque étage (M1, M2
et M4) afin de caractériser la propagation acoustique.
L’étagement est défini comme le ratio du débit masse de
carburant alimentant le premier étage (le plus éloigné de
la chambre) à la masse totale de carburant injecté [8]. En
pratique, ce paramètre varie entre 10% et 55%, car on
risque au-delà de cette valeur un retour de flamme et une
destruction de l’injecteur. Pour éviter cette situation, une
petite quantité d’air est injectée axialement de la partie
arrière du brûleur, cette injection correspond à une petite
fraction de la masse totale injectée tangentiellement
(
??
2,5%). La flamme a une forme de cône inversé autour
d’une forte recirculation centrale, un aspect typique des
configurations stabilisées par swirl (Figure 2). La flamme
est compacte (environ 15 cm de long) et ses dimensions
sont données à l’échelle avec la géométrie du brûleur
dans la figure 1. Le flux de gaz chauds de l’installation est
ensuite recueilli par un large diffuseur. Cette configuration
peut présenter de fortes instabilités de combustion en
fonction de l’étagement.
Un tube photomultiplicateur (TPM), équipé d’un filtre
à bande étroite centrée sur
l
= 431 nm détecte les
émissions spontanées du radical CH* par la flamme,
afin d’estimer les fluctuations du taux de dégagement de
chaleur. Les microphones sont montés sur des guides
d’ondes refroidis à l'eau, et leurs signaux sont corrigés
pour tenir compte du délai induit par le montage. Les
microphones M1, M2 et M3 sont utilisés pour mesurer le
coefficient de réflexion acoustique R en amont du brûleur
[9] et le flux acoustique à l'intérieur du brûleur à travers
la section S1 [10]. Les microphones M6 et M7 placés
dans la zone des gaz chauds sont utilisés pour estimer
le flux acoustique à travers la sortie de la chambre S2
selon la même méthode. Ces reconstructions nécessitent
un étalonnage en gain et en phase des micros (B&K type
4938 1/4 “) et le recours à une technique de permutation
des capteurs. Le microphone M5 est placé juste au-dessus
Fig. 1 : Schéma détaillé du brûleur EC2. Un piston mobile est ajusté
afin de contrôler l’impédance amont. L’air et le combustible
sont injectés dans les deux étages équipés de microphones
Schematic view of the EC2 burner with detailed injection
head. A mobile piston is ajusted to control the input
impedance. Fuel and air are injected through two
successive stages equipped with microphones
Fig. 2 : Typical swirl-stabilized flame shape
Forme typique d’une flamme stabilisée par swirl