Voorspelling van thermo-akoestische instabliteiten met behulp van tijdsharmonische, gelineariseerde akoestische voortplantingsmodellen

1.1 Context: Thermo-akoestische instabiliteiten vinden hun oorzaak in de interactie tussen akoestische golven en een onstabiele warmteoverdracht. Het verhinderen van dergelijke instabiliteiten is cruciaal aangezien ze een overmaat aan geluid produceren en zelfs kunnen resulteren in ernstige structurele schade. Dit is zeker van toepassing voor thermo-akoestische instabiliteiten in verbrandingsprocessen van industriële toepassingen zoals huishoudelijke verbrandingsketels, gasturbines of raketmotoren. In al deze gevallen is de warmtebron, de vlam, omsloten in een verbrandingskamer die optreedt als een akoestische resonator. Geproduceerd geluid wordt hierbij terug gereflecteerd naar de vlam, resulterend in een terugkoppelingsfenomeen. Een positieve correlatie tussen het akoestische veld in de kamer en de warmteoverdracht-fluctuaties zal dan zorgen voor een zelf-exciterende instabiliteit, wat een excessieve thermische en mechanische belasting van de kamer met zich meebrengt. De hierdoor gecreëerde hoge warmte en mechanische belasting bedreigt de structurele integriteit van de verbrandingskamer. Het ontwerp van aangepaste verbrandingskamers, gecombineerd met geluiddempende oplossingen (zoals akoestische liners), is hierbij noodzakelijk om het ontstaan van thermo-akoestische instabiliteiten te verhinderen. 1.2 Doelstelling: Dit doctoraatsonderzoek focust op de ontwikkeling van tijdsharmonische, akoestische voortplantingsmodellen voor het voorspellen van thermo-akoestische instabiliteiten. Hoog-accurate methodes uit de Computationale VloeistofDynamica (CFD), gebaseerd op Directe Numerieke Simulaties of Large-Eddy Simulaties, laten toe om met grote betrouwbaarheid complexe fysische fenomenen (zoals meerfasenstromingen, chemische reacties, warmteoverdracht en hun interacties) te voorspellen. Deze vragen echter een te grote rekenkracht en rekentijd om toe te passen in een vroeg ontwerpstadium van industriële toepassingen. Deze thesis zal daarom focussen op de ontwikkeling van minder rekenintensieve, gelineariseerde akoestische propagatiemodellen. Deze modellen bevatten een vereenvoudigde beschrijving van de vlamdynamica, verkregen uit CFD of uit experimenten, en kunnen gebruikt worden om verschillende geometrieën en stromingsconfiguraties uit te testen met een aanvaardbare rekentijd. Meer specifiek zullen de gelineariseerde Navier-Stokes vergelijkingen, uitgedrukt in het frequentiedomein, onderzocht worden. Een speciale nadruk zal hierbij liggen op de nauwkeurige modellering van akoestische liners voor het ontwerp van efficiënte geluidsonderdrukkende oplossingen in grootschalige, industrieel relevante verbrandingskamers.