DRACO — Contrôle d’instabilités de combustion thermo-acoustiques par décharges plasma

Les instabilités de combustion sont un problème majeur pour la conception des nouvelles générations de chambres de combustion aéronautiques et des turbines à gaz pour la production d’énergie. Un moyen de supprimer les fortes oscillations de pression associées à ces instabilités thermoacoustiques est de contrôler la dynamique du système. Des travaux antérieurs ont montré l’efficacité de différentes méthodes comme par exemple le forçage acoustique ou l’injection de carburant. Toutefois, ces méthodes sont peu utilisées dans des moteurs de taille réelle, principalement pour des raisons de performances limitées et de robustesse des actionneurs. En 2012, les deux partenaires impliqués dans le projet DRACO, à savoir EM2C (France) et TUB (Allemagne) ont montré expérimentalement que des décharges plasmas hors-équilibre pouvaient contrôler la dynamique de flamme [Lacoste2013, Moeck2013]. Cette étude de faisabilité a démontré que les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) pouvaient être utilisées comme actionneur pour le contrôle actif des instabilités de combustion, sans les défauts des actionneurs classiques, tels que les haut-parleurs ou les valves d’injection de carburant. Toutefois, même si les résultats de cette étude préliminaire ont été très encourageants, ils ont également montré que les mécanismes physico-chimiques de couplage entre le plasma et la dynamique de flamme sont incompris. Dans ce contexte, le projet DRACO va se concentrer sur (1) l’étude fondamentale du couplage de la dynamique de combustion et des décharges plasmas hors équilibre, (2) l’évaluation expérimentale du potentiel des décharges plasmas NRP pour le contrôle actif des instabilités de combustion. Les expériences seront réalisées en France et en Allemagne afin de bénéficier de l’expérience complémentaire des deux partenaires. Dans un premier temps, des études fondamentales sur les interactions plasma/acoustique et plasma/flamme seront réalisées, à pression atmosphérique, dans des réacteurs dédiés. En s’appuyant sur des simulations numériques de l’interaction plasma/flamme, un modèle phénoménologique de l’effet des décharges NRP sur la dynamique des flammes pauvres pré-mélangées sera développé. Dans un deuxième temps, l’influence des décharges NRP sur la dynamique des flammes swirlées sera étudiée. L’effet de l’hydrodynamique générée par le plasma et son impact sur la combustion sera particulièrement examiné. Enfin, un actuateur plasma sera testé sur un banc de combustion swirlée de 100 kW. Le contrôle actif de flammes instables de prémélange gaz naturel / air par plasma sera étudié avec l’aide de systèmes de contrôle optimisés. Ce travail permettra d’évaluer et de quantifier le potentiel des décharges plasmas NRP. A chaque étape du projet, des diagnostics optiques avancés seront utilisés, en s’appuyant sur le savoir-faire des deux partenaires. En plus des objectifs scientifiques ambitieux, le projet DRACO pourra avoir de larges retombées scientifiques et techniques. En particulier, une meilleure compréhension des phénomènes fondamentaux permettant le contrôle des instabilités de combustion par décharges plasma hors-équilibre aidera le développement de la recherche en combustion assistée par plasma, en France et en Allemagne. Potentiellement, ce projet pourrait avoir un grand nombre d’applications variées comme le contrôle de la dynamique de flamme dans des réacteurs à haute pression, la réduction de bruit de combustion ou bien la réduction de la consommation de carburant et des émissions polluantes. En faisant des réunions régulières, en favorisant la participation des étudiants et des chercheurs du projet à des conférences scientifiques françaises, allemandes et internationales et en publiant les résultats dans des journaux scientifiques reconnus, les résultats obtenus seront rapidement présentés à la communauté scientifique internationale.