Stabilisation et dynamique des flammes d'hydrogène en configuration mono-injecteur et en chambre annulaire

Cette thèse présente une étude expérimentale des flammes d'hydrogène pur swirlées pour des applications à la propulsion aéronautique et à la production d'énergie. Elle se concentre sur l'allumage des chambres de combustion annulaires alimentées à l'hydrogène, la stabilisation des flammes et les instabilités thermo-acoustiques dans des configurations mono-injecteur et annulaires. Un nouvel injecteur reposant sur l'injection en jet transverse d'hydrogène gazeux dans un écoulement d'air swirlé est caractérisé en termes de mélange du combustible et de l'air, de mécanismes de stabilisation de la flamme, d'émissions polluantes et de stabilité par rapport au couplage avec les fréquences propres acoustiques de la chambre de combustion. Un grand nombre de conditions de fonctionnement et de géométries sont explorées. Ce concept d'injection s'avère capable de fournir un niveau de mélange suffisant, et le nombre de swirl est identifié comme le principal paramètre contrôlant le processus de mélange. L'injecteur produit des flammes détachées des parties solides à puissance élevée, pour un nombre de swirl élevé et un faible retrait de l'injecteur. Ces flammes liftées se caractérisent par de faibles émissions de NOx et un rendement de combustion élevé. Afin de réduire la vitesse de propagation des flammes et d'étendre l'opérabilité des flammes d'hydrogène, des décharges plasma sont appliquées pour stabiliser les flammes ultra-pauvres, tout en maintenant de faibles niveaux de NOx. Les flammes swirlées d'hydrogène pur se révèlent très sensibles au couplage thermo-acoustique avec les modes longitudinaux dans les chambres de combustion mono-injecteur dans la gamme de fréquences 650-1100 Hz, et au couplage avec les modes azimutaux en chambre annulaire entre 600 et 3500 Hz. Ce dernier couplage implique des modes d'ordre élevé qui n'ont jamais été signalés auparavant. L'augmentation du nombre de swirl réduit les instabilités dans les deux configurations. La dynamique d'allumage annulaire des flammes d'hydrogène est examinée dans une chambre annulaire initialement remplie de prémélange. Les temps d'allumage annulaire sont beaucoup plus courts qu'avec les hydrocarbures et diminuent lorsque la richesse, la vitesse d'injection ou le nombre de swirl augmentent. Un modèle capable de prédire les temps d'allumage et l'amplitude du pic de pression induit par l'allumage a été développé pour une large gamme de paramètres. Cette thèse met en évidence les conséquences de la réactivité élevée des flammes d'hydrogène, telles que leur vitesse de propagation annulaire élevée ou leur grande sensibilité aux instabilités thermo-acoustiques, et fournit des méthodologies pour analyser ce couplage.