Conception et étude expérimentale et numérique d'un système de contrôle de trajectoire et mélange des jets de gaz dans les brûleurs à oxygène.

Le contrôle de flammes multi-jets est étudié dans cette thèse et appliqué à des oxy-brûleurs à jets séparés d’Air Liquide. Le procédé de contrôle en question consiste à dévier un jet gazeux axisymmétrique par une injection transverse du même gaz. Un actionneur a été spécifiquement conçu à l'MFT pour réaliser cette injection et provoquer des déviations de jet de forte amplitude. L’aérodynamique de l’écoulement d’un injecteur à deux jets, équipés de ces actionneurs, a été étudiée expérimentalement et numériquement. Deux configurations différentes ont montré la capacité des actionneurs à améliorer le mélange des réactifs et contrôler la trajectoire globale de l’écoulement. Les visualisations expérimentales et les mesures par anémométrie à fil chaud coïncident avec les résultats du calcul LES, obtenus avec le code AVBP. Des calculs réactifs d’une configuration à trois jets ont aussi été menés ; comparés à des résultats expérimentaux du CORIA, ils montrent l’effet de l'ncidence des jets sur la structure de flamme et prouvent la capacité de la LES à capturer ces phénomènes. Au niveau industriel, un brûleur pilote de 1 MW a été équipé avec les actionneurs conçus à l'MFT. Les tests de ce brûleur ont prouvé l’efficacité des actionneurs pour orienter les transferts thermiques de la flamme vers une charge et ont aussi mis en évidence une augmentation nette du rendement thermique de ce brûleur par rapport à une configuration non-actionnée. En conséquence, le système et le procédé de contrôle à l’aide d’actionneurs ont été brevetés. ABSTRACT : This work deals with the control of multi-jet flames for an application to oxy-fuel multi-jet burners. The generic type of control that is studied here is an axisymmetric jet being vectored by a transverse fluid injection. An actuator, designed at IMFT, carries out this injection and gives a large amplitude to the jet deviation. The aerodynamics of the flow issuing from a double-jet injector, geared with actuators, is then studied experimentally and numerically. Two different flow configurations prove the ability of the actuator to enhance mixing and to control the trajectory of the global flow. The experimental visualization and quantitative measurements, achieved with hot-wire velocimetry, are retrieved well by the Large Eddy Simulations, performed with the code AVBP. Reactive calculations on a three-jet configuration are also undertaken. When compared to experimental results from CORIA, these calculations show the effect of jet incidence on the flame structure and prove the ability of LES to capture such phenomena. At the industrial level, a 1-MW pilot burner has been outfitted with the IMFT actuators. Tests of this burner prove the effectiveness of the actuators to orient the heat transfer from the flame to a load, and exhibit better overall performance than a "straight-flame" burner. As a result of these tests, the system and process of control have been patented

Étude expérimentale et numérique de l'allumage des turboréacteurs en conditions de haute altitude

Le développement et la certification de systèmes propulsifs aéronautiques nécessitent une phase d'essais sur banc moteur. Ces essais permettent entre autres de caractériser les limites d'allumage des foyers de combustion de turbomachines, mais sont extrêmement coûteux et générateurs de délais pour l'industriel. Afin de limiter leur recours, il est nécessaire de développer des méthodes permettant de prévoir de la façon la plus fiable possible les performances d'allumage d'un prototype de chambre de combustion, et ce aussi bien pour des conditions de décollage au niveau de la mer que pour le cas critique de la haute altitude.L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d outils numériques pour la prévision de l'allumage des foyers de combustion à partir de données expérimentales obtenues sur le banc MERCATO de l ONERA. Ces travaux ont été conduits en étroite coopération avec TURBOMECA. Des améliorations ont été apportées à un modèle permettant de simuler l'allumage d'un brouillard de carburant suite à un dépôt d'énergie par bougie à arc électrique. Ce modèle a été couplé à un code de calcul multiphysique (code CEDRE) afin d'établir des cartographies d'allumage à partir d'un champ aérodiphasique moyenné, mais également de simuler la phase de propagation de la flamme à l ensemble du foyer par approche RANS pseudo-stationnaire. Afin de valider ces deux approches, une caractérisation expérimentale d'une maquette de chambre mono-secteur a été réalisée sur le banc d'essai MERCATO. Ces essais ont permis de constituer une banque de données très fournie pour différents cas tests. La comparaison de la cartographie d allumage expérimentale à celle fournie par la simulation numérique donne des résultats très satisfaisants et encourageants en vue d une application à un foyer réel de turbomachine. En parallèle, des résultats très prometteurs ont été obtenus sur une nouvelle maquette de chambre de combustion trisecteur,dérivée d'un foyer industriel, permettant de comparer ses limites d allumage à celles obtenues sur la chambre réelle. Cette configuration fera l objet par la suite d une étude détaillée de la propagation de la flamme intersecteurs, impossible à réaliser sur la géométrie d'un foyer annulaire complet.Design of aircraft engines requires tests on engine benches. These tests allow characterizing combustor ignition limits, but are extremely expensive and time consuming. In order to limit their number, it is necessary to develop alternative methods enabling to predict the ignition performances of a combustor prototype, for both ground conditions and high altitude conditions, the latter being particularly critical.The purpose of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools enabling to predict ignition performances of combustor. Validation will be possible using an experimental data base obtained on the MERCATO test bench, at ONERA. This work results from a close cooperation with TURBOMECA. A numerical model, previously developed to predict the ignition of fuel spray following a spark discharge, has been improved. This model has been combined to a multiphysics CFD code (CEDRE) in orderto build ignition map from a mean two-phase flow field, and also to compute the flame propagation stage using RANS approach. In order to validate both methods, experimental characterization of a one-sectorcombustor has been performed on the MERCATO test rig. A complete data base for validation of CFD code isnow available. Comparison of experimental and numerical ignition mapping showed good agreements for the different tests cases, and seems encouraging for an application on an industrial combustor. In the same time,promising results have been obtained with a new experimental three-sector combustor. Its geometry is basedon an industrial combustor, allowing a comparison of ignition performances between the simplified and the industrial combustorsTOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

A test facility for assessing simulations of jets in cross flow configurations

International audienceA test facility featuring jet(s) in cross flow con-figuration is presented. The peculiarity of the rig stems from the presence of an acoustic forcing sys-tem that introduces planar acoustic waves in the cross flow. Microphones, PIV and LDV measure-ments have been conducted in forced and unforced configurations. The experimental database built so far already gives the possibility of assessing in depth the predictive capability of related steady or unsteady simulations

Investigating lung responses with functional hyperpolarized xenon-129 MRI in an ex vivo rat model of asthma

Purpose: Asthma is a disease of increasing worldwide importance that calls for new investigative methods. Ex vivo lung tissue is being increasingly used to study functional respiratory parameters independent of confounding systemic considerations but also to reduce animal numbers and associated research costs. In this work, a straightforward laboratory method is advanced to probe dynamic changes in gas inhalation patterns by using an ex vivo small animal ovalbumin (OVA) model of human asthma. Methods: Hyperpolarized (hp)129Xe was actively inhaled by the excised lungs exposed to a constant pressure differential that mimicked negative pleural cavity pressure. The method enabled hp129Xe MRI of airway responsiveness to intravenous methacholine (MCh) and airway challenge reversal through salbutamol. Results: Significant differences were demonstrated between control and OVA challenged animals on global lung hp129Xegas inhalation with P < 0.05 at MCh dosages above 460 µg. Spatial mapping of the regional hp gas distribution revealed an approximately three-fold increase in heterogeneity for the asthma model organs. Conclusion: The experimental results from this proof of concept work suggest that the ex vivo hp noble gas imaging arrangement and the applied image analysis methodology may be useful as an adjunct to current diagnostic techniques

Conception et étude expérimentale et numérique d'un système de contrôle de trajectoire et mélange des jets de gaz dans les brûleurs à oxygène

Le contrôle de flammes de brûleurs multi-jets est étudié dans cette thèse et appliqué à des oxy-brûleurs à jets séparés. Un actionneur a été conçu pour provoquer des déviations de jet de forte amplitude. L'aérodynamique d un écoulement de deux jets munis de ces actionneurs est étudiée expérimentalement et numériquement. Deux configurations différentes montrent que les actionneurs améliorent le mélange des réactifs et contrôlent la trajectoire globale de l'écoulement. Les visualisations et les mesures coïncident avec les résultats du calcul. Des calculs d'une flamme de trois jets ont aussi été menés ; ils montrent l'effet de l'incidence des jets sur la structure de flamme et prouvent la capacité de la LES à capturer ces phénomènes. Au niveau industriel, un brûleur pilote a été réalisé. Les tests prouvent l'efficacité des actionneurs pour diriger le transfert thermique, ce qui entraîne une augmentation nette du rendement thermique de ce brûleur par rapport à un cas non-actionné.This work deals with the control of multi-jet flames from oxy-fuel burners. An actuator has been designed to carry out a wide-amplitude jet deviation. The aerodynamics of the flow from a double-jet injector, geared with actuators, is studied experimentally and numerically. Two different flow configurations show that the actuator enhances mixing and controls the trajectory of the global flow. The visualization and measurements are retrieved well by the Large Eddy Simulations. Reactive calculations on a three-jet configuration are also undertaken. When compared to experimental results, these calculations show the effect of jet incidence on the flame structure and prove the ability of LES to capture such phenomena. At the industrial level, a pilot burner has been outfitted with actuators. Tests of this burner prove the effectiveness of the actuators to orient the heat transfer from the flame, and exhibit better overall performance than a "straight-flame" burner.TOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF

LES investigation of the flow through an effusion-cooled aeronautical combustor model

International audienceThe present study is devoted to the analysis of the behaviour of the flow through an effusion-cooled aeronautical combustor model. High-fidelity calculations are performed on an experimental model of a combustion chamber multi-perforated wall and compared to experimental measurements. The effect of combustion instability on the effusion-cooling system is investigated by studying the interaction of an acoustic wave with the jets-in-crossflow issued from the cooling plate. It is shown that the mass-flow rate through the plate can be drastically reduced by the acoustic wave, which demonstrates the destructive effect that such instability may have on the cooling of an aeronautical combustion chamber

The role of echocardiography in the assessment of right ventricular systolic function in patients with transposition of the great arteries and atrial redirection

SummaryBackgroundAlthough dysfunction of the systemic right ventricle (RV) in patients with complete transposition of the great arteries (TGA) after atrial redirection by Mustard or Senning procedures is well recognized, there are few data on systemic RV geometry and function. Echocardiography is a widely available imaging technique that is particularly suitable for clinical follow-up because of its non-invasive nature, low cost and lack of ionizing radiation.AimTo examine the feasibility and variability of transthoracic echocardiography variables in the assessment of the systemic RV.MethodsMultivariable transthoracic echocardiographic analysis, including assessment of global function variables (RV ejection fraction [RVEF; Simpson's method], RV fractional shortening [RVFS] and dP/dt), longitudinal function variables (tricuspid annular plane systolic excursion [TAPSE], peak systolic velocity at the junction of the RV free wall and the tricuspid annulus, assessed with pulsed tissue Doppler imaging [S’ TDI]), tricuspid regurgitation and asynchrony, was performed in 35 consecutive patients with TGA after atrial redirection. Functional variables were compared with magnetic resonance imaging (MRI). Inter- and intraobserver echocardiographic analysis variability was assessed in ten randomly selected cases.ResultsGlobal and longitudinal function variables were not correlated with RVEF calculated by MRI, except for S’ TDI, which was weakly correlated (P=0.02, r=0.37). Asynchrony assessment was feasible in all patients. Inter- and intraobserver echocardiographic analysis variability was high for RVEF, RVFS and dP/dt (>10%), and low for TAPSE and S’ TDI (5%).ConclusionOwing to geometric changes, presumed contractility pattern shift and retrosternal position, conventional echocardiographic variables are not relevant for RV function assessment. Assessment of asynchrony and tricuspid regurgitation is easily feasible in routine practice and highly reproducible. Echocardiography does not permit complete assessment of the systemic RV after atrial redirection but is fully complementary with MRI and should not be abandoned. Future improvements in transducers and dedicated software should permit major improvements in the near future