Experimental Study of Low Density Micro Jets in Crossflow for Hydrogen Injection in Gas Turbines

L’hydrogène se présente comme un carburant alternatif convaincant pour les systèmes de turbines à gaz en raison de sa combustion sans carbone. Cela s’aligne avec les efforts mondi- aux de décarbonation de l’énergie. Plusieurs géométries de brûleurs à hydrogène développés récemment utilisent des micro-jets submillimétriques pour injecter ce carburant dans un flux d’oxydant transverse. Cette configuration «micromix» permet non seulement de réduire les probabilités de retour de flamme, mais bénéficie du mélange intense causé par de multi- ples jets en écoulement transverses. Cela réduit le temps de résidence du mélange à hautes températures, aidant à réduire les émissions nocives de NOx. Les jets en écoulement transverse provoquent des structures d’écoulement complexes et insta- tionnaires. Les études antérieures sur ce type d’écoulement se concentrent sur un jet unique, et non sur l’injection de gaz peu dense à travers plusieurs microjets en série. Pour mieux comprendre cette technique novatrice d’injection d’hydrogène, ce projet de recherche utilise la vélocimétrie par images de particules pour obtenir des champs de vitesse et de concentration de particules ensemencées sur trois plans de mesure. La campagne expérimentale utilise un banc d’essai à écoulement transverse de vitesse U∞ = 2 m/s, avec un à huit jets de 0.8 mm de diamètre, caractérisé par un nombre de Reynolds entre Rej = 30 et 300. L’objectif principal est d’étudier l’effet de la géométrie et de la vitesse des jets sur l’écoulement. À cette fin, des enregistrements à une fréquence d’acquisition de 10 kHz sont effectués avec des vitesses de jets entre 5 et 50 m/s, un ratio de densité de S = 0.14 et un espacement adimensionnel entre les jets de l/d = 1.5, 2.12 et 5.25. Les résultats principaux montrent que de fortes instabilités sont générées dans l’écoulement lorsque la vitesse des jets augmente. Des images dans le plan transversal montrent également l’évolution de paires de vortex contrarotatifs (CVP) qui interagissent ensemble, et s’étirent verticalement quand l’espacement est réduit entre les jets. Pour un rapport de densité fixe, les trajectoires de micro-jets en série sont bien modélisées avec le rapport de vitesse R. Les champs de vecteurs PIV moyens montrent également une zone de recirculation derrière les jets. Cette zone à faible vitesse s’agrandit pour des séries de jets plus rapprochées. La position des instabilités est aussi suivie dans le temps, permettant une analyse fréquentielle. Les jets uniques ont une fréquence d’oscillation plus basse que les séries de jets à espacement réduit, qui se mélangent et décomposent les structures cohérentes. Les séries de jets compactes défavorisent les modes globalement instables, ce qui améliore le mélange, mais ils créent une zone de recirculation défavorable dans les chambres à combustion des turbines à gaz.