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Un faisceau laser dévoile le tournoiement des gaz à l’intérieur des propulseurs à réaction

Pour la première fois, une batterie de lasers projetés dans les vapeurs de combustible a permis à des chercheurs d’évaluer simultanément en trois dimensions les conditions régnant à l’intérieur de chambres de combustion des turbines à gaz.

Technologies industrielles

Les turbines à gaz constituent la principale forme de conversion du combustible en énergie mécanique et sont employées dans toutes sortes d’applications, des centrales électriques aux propulseurs à réaction. Un propulseur à réaction type est composé de 16 chambres de combustion, chacune d’entre elles fournissant plusieurs mégawatts de puissance, ce qui représente plus de 1 000 fois la capacité d’une chaudière à gaz domestique. Ainsi, leur fonctionnement dépend d’une conception soignée, comme le stipule Yannis Hardalupas, coordinateur du projet 3DFlameGT: «Il est question d’une très grande quantité de chaleur générée dans le volume restreint d’une chambre de combustion. Par conséquent, en cas d’erreur, la chambre elle-même peut facilement fondre.» Le maintien d’une flamme dans la chambre de combustion est déterminé en partie par un mélange optimal de combustible et d’air, une propriété mesurée par le taux de dissipation scalaire du flux. «Si cette quantité est très importante, le mélange et la réaction sont rapides, mais si elle est trop importante, la réaction ne se maintient pas et la flamme s’éteint», explique Yannis Hardalupas. «Nous cherchons à comprendre comment optimiser cette quantité à l’intérieur d’une chambre de combustion afin de stabiliser la flamme.» Pour mesurer le taux de dissipation scalaire, Yannis Hardalupas et son équipe de l’Imperial College London ont combiné une batterie de quatre faisceaux, qui ont diffusé des films de lumière parallèles dans le mélange combustible-air d’une chambre de combustion, ce qui a déclenché une fluorescence du combustible. Ces motifs de lumière fluorescente ont été capturés par caméra et la structure tridimensionnelle de la distribution du combustible a été reconstruite à l’aide d’un traitement numérique, qui a également permis d’extraire le taux de dissipation scalaire. Ce taux n’avait encore jamais été mesuré de façon simultanée en trois dimensions et en temps réel auparavant. Ces nouvelles connaissances physiques amélioreront les hypothèses des modèles informatiques utilisés pour la conception des chambres de combustion. Ces informations serviront non seulement dans le cadre de la conception des futures turbines à gaz, mais également pour optimiser le fonctionnement de celles en cours d’utilisation. «La conception des chambres de combustion est, dans une large mesure, semi-empirique. Il est nécessaire d’effectuer un grand nombre de tests avant de parvenir à la conception adéquate», affirme Yannis Hardalupas. Dans la mesure où une heure d’essais coûte plus de 10 000 euros pour un propulseur à réaction, et que des milliers d’heures d’essais sont nécessaires pour finaliser une nouvelle conception de propulseur, une minimisation des tests permet de réaliser d’importantes économies. Le projet a été soutenu par l’UE au travers du programme d’actions Marie Skłodowska-Curie. «La bourse attribuée à Irfan Mulla a été d’une grande aide, car ce type de recherche requiert une personne très expérimentée», remarque Yannis Hardalupas. Irfan Mulla a depuis accepté un poste au prestigieux Institut indien de technologie de Madras. Les futures recherches se pencheront sur les moyens de contrôler le taux de dissipation scalaire à l’intérieur des chambres de combustion pour différents combustibles, une question urgente à l’heure où le portefeuille énergétique mondial bascule vers les combustibles synthétiques, les biocarburants et l’hydrogène. «Le comportement du taux de dissipation scalaire dans les chambres de combustion fonctionnant avec de tels combustibles est une question qui doit être étudiée afin d’être en mesure de fournir des turbines à gaz zéro carbone», déclare Yannis Hardalupas. «L’hydrogène est un gaz qui brûle rapidement, et, en cas d’erreur, il peut très facilement endommager les parois de la chambre de combustion.»

Mots‑clés

3DFlameGT, gaz, turbine, faisceau, combustible, chambre de combustion, scalaire, dissipation, fluorescence

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