Réduire les émissions polluantes des turbines à gaz
Le développement de systèmes de combustion fonctionnant avec un carburant liquide qui répondent aux exigences en matière de réduction des émissions sans en aliéner le fonctionnement a été l'un des défis majeurs rencontrés par les ingénieurs spécialisés dans les turbines à gaz. Les récents développements ont permis d'obtenir des systèmes de combustion produisant peu d'émissions polluantes, comme celle de l'oxyde d'azote (NOx), mais tous étaient très sensibles aux instabilités de combustion, préjudiciables aux moteurs. Cette question a été abordée dans le cadre du projet MUSCLES, qui a établi les bases fondamentales nécessaires pour une modélisation théorique des oscillations auto-induites survenant dans la chambre de combustion. L'accroissement du transfert de chaleur qui entraîne des fluctuations importantes de pression, responsables de dégâts structurels potentiels, est également à l'origine de l'apparition d'ondes acoustiques. Les conditions d'admission du mélange air/carburant sont perturbées par ces ondes acoustiques, aggravant d'autant plus le phénomène d'instabilité de la combustion. L'objectif principal des partenaires du projet de l'université de Rouen (France) consistait à étudier l'effet direct des fluctuations de pression sur la vaporisation de l'aérosol de carburant injecté. À cette fin, une approche théorique non-linéaire a été adoptée, dans laquelle la non-linéarité prenait la forme d'une saturation de la réponse de la flamme. En fait, celle-ci apparaît quand les fluctuations de pression deviennent si intenses que le flux air/carburant s'inverse alors que le dégagement de chaleur est encore renforcé. Des simulations numériques directes (SND) des ondes de pression injectées sur un ensemble de gouttelettes ont d'abord été effectuées pour un écoulement en couches, puis la turbulence homogène a été incorporée dans le modèle numérique. Les résultats, ainsi que de nouveaux modèles, fondés sur les simulations aux grandes échelles (LES, pour Large Eddy Simulations) ou sur la décomposition de Reynolds appliquée aux solutions de l'équation de Navier-Stokes (RANS, pour Reynolds Averaged Navier-Stokes), ont été validés par comparaison avec les données expérimentales du laboratoire EM2C. Les expériences ont été effectuées avec une configuration permettant un contrôle efficace, dans laquelle les ondes acoustiques générées par une unité pilote placée au bas du brûleur interagissaient avec les turbulences de la flamme. Les modèles définitifs seront synthétisés sous la forme d'un modèle global capable de prédire la fréquence et, plus important encore, l'amplitude des fluctuations de pression. Dans un avenir proche, la conception de systèmes de combustion pourra être testée et adaptée afin que ces engins fonctionnent de manière efficace en émettant moins de polluants tout en ayant une combustion stable.