Determination of inlet impedances for acoustic eigenmode computation in combustion chambers

The coupling between acoustic waves and flames in industrial combustion systems can lead to high amplitude instabilities, which influence the flame motion and can provoke the destruction of the burner in extreme cases. Numerical simulation enables to predict and understand the acoustic fields of combustion chambers. The accuracy of calculation strongly depends on the quality of boundary conditions, which are generally characterized by their acoustic impedances. Eigenmode calculations of a combustion chamber using a Helmholtz solver (AVSP) have been performed by introducing different boundary conditions at the entrance of the chamber. High drifts of eigenfrequency values have been detected. These wide differences demand for the development of a method to improve the accuracy in the prediction of inlet impedances. Therefore, this research project focused on participating in the development of a new code dedicated to the computation of impedances at the inlet and the outlet of a nozzle. These impedances are computed using linearized Euler equations and form the inputs for the Helmholtz solver. The new code NOZZLE has been validated using the Navier-Stokes solver AVBP, developed by CERFACS. Résumé Le couplage entre des ondes acoustiques et des flammes dans un système de combustion industriel peut conduire vers des instabilités très élevées en amplitudes. Non seulement ces oscillations peuvent influencer le mouvement de la flamme, mais aussi endommager des parties du brûleur dans les cas les plus extrêmes. La simulation numérique permet de prévoir et de comprendre les champs acoustiques dans les chambres de combustion. La pertinence de calculs dépend fortement de la qualité des conditions aux limites qui sont en général caractérisées par leurs impédances acoustiques. Des calculs des modes propres dans une chambre de combustion ont été effectués en utilisant un solveur de Helmholtz (AVSP). L’entrée de la chambre a été imposée avec différentes valeurs d’impédance. Des écarts non négligeables en fréquence ont été détectés. Ces différences énormes demandent le développement d’une méthode qui permet d’améliorer l’exactitude dans la détermination des impédances à l’entrée. Donc, ce projet de fin d’études s’est focalisé sur la participation au développement d’un nouveau solveur qui calcule les impédances des tuyères en amont et à l’aval des chambres de combustion. Ces impédances sont déterminées en utilisant les équations d’Euler linearisées et constituent les entrées pour le solveur de Helmholtz. Le nouveau code NOZZLE a été validé en utilisant le code Navier-Stokes AVBP, développé par le CERFACS.