Um estudo experimental da interação turbulência, combustão e acústica

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Bruno Peruchi Trevisan
• Orientador(a): Wladimyr Mattos da Costa Dourado
• Banca de defesa: Márcio Teixeira de Mendonça, Jeronimo dos Santos Travelho, João Andrade de Carvalho Junior, Pascal Bruel
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e Propulsão
• País: BR
• Resumo em Inglês: One of the main problems in aerospace engine combustion is related to combustion instabilities. These instabilities are due to the coupling between combustion, acoustic and turbulence. Such instabilities can lead to vibrations, significative degradation of the combustion process and in severe cases, the engine or the propulsion system can be damaged or destroyed. The knowledge of the physical phenomena related to combustion instability provides data for evaluating physical models used in computational fluid dynamics. Laser Diagnostics are a powerful tool to study these interactions because they are non intrusive methods, with high repetition rate and high spatial and temporal resolution. In the present work an experimental study of the interaction between combustion was carried out in an unpremixed combustion chamber. The fuel used was commercial propane and the oxidant was air. The Doppler laser velocimetry technique was used to characterize the velocity field of the inert and reactive flows. The combustion chamber used is divided into two regions: the entrance region, located upstream of the fuel injectors and the main region, located downstream of the fuel injectors. The fuel is injected into the combustion chamber by three injectors, where each injector provides the fuel in the form of two flat and parallel jets. As far as the flow in the entrance region are concerned, the results show an equilibrium turbulence behavior. The presence of the unstable combustion induces a deterministic pulsation in the inlet flow. This pulsating behavior was responsible for the increase in the longitudinal velocity fluctuations. The signature of this pulsation consists of an energy peak on the energy spectral density. Concerning the flow in the main region, the inert flow showed symmetry of the mean flow and the presence of recirculation zones located at the back of the injectors. The spectral energy densities showed the presence of an energy peak, which is related to the movements associated with the emission of vortices. The presence of the combustion generated a decrease of the average length of the recirculation zones. The stable combustion presented a low energy coherent movement, characterized by the absence of a peak of energy in the spectral energy densities and a certain periodicity in the functions of temporal autocorrelation. The unstable reactive flow presented a coherent and energetic movement, characterized by a well-defined frequency energy peak at the spectral energy densities, a bimodal characteristic in the velocity distributions and periodic autocorrelation functions.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2018/03.17.13.07

Um dos principais problemas em sistemas de combustão de motores aeroespaciais está relacionado com as instabilidades de combustão. Estas perturbações ocorrem devido ao acoplamento entre os fenômenos de combustão, acústica e turbulência. Tais instabilidades podem causar vibrações, degradação significativa e em casos severos, podem levar à destruição do motor. O conhecimento dos fenômenos físicos relacionados com a instabilidade de combustão fornece dados para avaliar os modelos físicos inclusive os utilizados na dinâmica dos fluidos computacional. As técnicas de diagnóstico laser se mostraram uma poderosa ferramenta para análise deste fenômeno por serem métodos não intrusivos, com alta taxa de repetição e alta resolução espacial e temporal. No presente trabalho foi realizado um estudo experimental da interação combustão, acústica e turbulência em uma câmara de combustão não prémisturada. O combustível utilizado foi propano comercial e o oxidante era ar. A técnica de velocimetria por laser doppler foi utilizada para caracterização do campo de velocidade dos escoamentos inerte e reativos. A câmara de combustão utilizada é dividida em duas regiões: a região de entrada, localizada a montante dos injetores e a região principal, localizada a jusante dos injetores. O combustível é injetado na câmara por meio de três injetores, onde cada injetor fornece o combustível sob a forma de dois jatos planos e paralelos. Com relação ao escoamento na região de entrada, os resultados mostraram um comportamento de turbulência em equilíbrio. A presença da combustão instável induziu uma pulsação determinística no escoamento de entrada, a qual foi responsável pelo aumento das flutuações de velocidade longitudinais. Este movimento coerente é visualizado na densidade espectral de energia na forma de um pico de energia. Ao que diz respeito aos escoamentos na região principal, o escoamento inerte apresentou simetria do escoamento médio e mostrou a presença de zonas de recirculação localizadas na parte posterior dos injetores. As densidades espectrais de energia mostraram a presença de um pico de energia, que é relacionado aos movimentos associados à emissão de vórtices. A presença da combustão gerou um diminuição do comprimento médio das zonas de recirculação. A combustão estável apresentou um movimento coerente pouco energético, caracterizado pela ausência de um pico de energia nas densidades espectrais de energia e uma certa periodicidade nas funções de autocorrelação temporal. O escoamento reativo instável apresentou um movimento coerente e energético, caracterizado por um pico de energia de frequência bem definida nas densidades espectrais de energia, caráter bimodal nas distribuições de velocidade e função de autocorrelação periódica.