Certaines chambres de combustion entrent, à certains points de fonctionnement, dans une oscillation de grande amplitude et presque monofréquence. Le bruit est désagréable ; le vrai problème est que l'amplitude de pression multiplie les charges structurales et thermiques.
Le mécanisme
L'oscillation naît d'une boucle de rétroaction entre le dégagement de chaleur et l'onde acoustique de pression. Si la fluctuation du dégagement de chaleur est en phase avec l'onde de pression, la combustion injecte de l'énergie dans l'onde acoustique ; l'onde à son tour module le mélange et la vitesse de l'écoulement, et fait de nouveau fluctuer le dégagement de chaleur. La boucle se referme et l'amplitude croît jusqu'à ce que les effets non linéaires la limitent.
Ce qui tranche, c'est la relation de phase : en phase elle alimente, en opposition de phase elle amortit.
Pourquoi il est difficile de l'éliminer à la conception
La relation de phase dépend du temps mis par le combustible pour aller du point d'injection à la zone de flamme (le retard convectif) et de la longueur acoustique de la chambre. Les deux changent avec le point de fonctionnement. Un système stable à une charge peut donc être instable à une autre, et l'instabilité apparaît en général sur site, sur une bande de fonctionnement étroite.
Ce n'est pas un hasard si les conceptions bas-NOx y sont plus sujettes : la combustion pauvre prémélangée rend le dégagement de chaleur plus sensible aux fluctuations de l'écoulement. Voir la note sur les NOx.
L'approche de modélisation
Une solution complète coûte cher : les ondes acoustiques et la fluctuation du dégagement de chaleur doivent être résolues ensemble, ce qui impose un calcul compressible et instationnaire. Comme le nombre de Mach est faible, c'est de surcroît numériquement exigeant.
La voie pratique comporte deux étapes : extraire séparément les modes acoustiques de la chambre, puis déterminer comment la flamme répond à ces modes (la fonction de transfert de flamme). La combinaison des deux donne la carte de stabilité.
Les remèdes passifs
Résonateurs de Helmholtz, revêtements acoustiques, modification de l'impédance de l'alimentation en combustible. Tous sont accordés sur une fréquence particulière, et le travail du calcul est de prévoir à l'avance cette fréquence et l'amplitude.
Références
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6