Impact of the cavitation of a NEXGEN burner nozzle on gaseous emissions and the dynamics of a turbulent kerosene/air flame

Impact de la cavitation d’une buse de brûleur NEXGEN sur les émissions gazeuses et la dynamique d’une flamme turbulente kérosène/air

Laboratoire PRISME, France

^* Ludovic.lamoot@insa-cvl.fr

Abstract

In any thermal application involving a flame, it is essential that the flame is of the best possible quality to ensure optimal energy performance and minimize the carbon impact. This requires a combustion process taking place under optimal conditions. In this context, the phenomenon of cavitation can affect the mixing between fuel and oxidant, especially when it comes to developing compact systems with high energy efficiency. To study this effect, an experimental investigation was conducted using the NexGen burner, developed by the FAA (Federal Aviation Administration) and used for fire certification tests based on ISO 2685. The main objective of this study is to understand the impact of cavitation in a nozzle on the performance of a turbulent flame of kerosene/air premix. The study was conducted in two phases: The first was to develop an experimental device to highlight the appearance of the cavitation phenomenon as a function of the nozzle geometry, pressure and temperature in the tank. Piezoelectric pressure sensors and transparent nozzles made it possible to observe a greater intensity of the cavitation phenomenon with the smaller diameter nozzle (2.25 80 W). The second consisted in evaluating the impact of cavitation on flame performance. The results showed that cavitation has a direct influence on the flame temperature and heat flux density. In the presence of cavitation, the structure of the flame consisting of three distinct zones: continuous flame, intermittent flame and plume flame is modified in particular for low cavitation numbers where the disappearance of the continuous flame was observed. This observation makes it possible to demonstrate the harmful effects of cavitation on combustion in the NexGen burner. This study provides knowledge enabling a better understanding in order to improve the performance of combustion systems.

Résumé

Dans toute application thermique impliquant une flamme, il est essentiel que celle-ci soit de la meilleure qualité possible pour garantir une performance énergétique optimale et minimiser l’impact carbone. Cela nécessite un processus de combustion se déroulant dans des conditions optimales. Dans ce cadre, le phénomène de cavitation peut affecter le mélange entre le carburant et le comburant, surtout lorsqu’il s’agit de développer des systèmes compacts avec une grande efficacité énergétique. Pour étudier cet effet, une investigation expérimentale a été menée en utilisant le brûleur NexGen, développé par la FAA (Federal Aviation Administration) et utilisé pour les tests de certification au feu basés sur la norme ISO 2685. L’objectif principal de cette étude est de comprendre l’impact de la cavitation dans une buse sur les performances d’une flamme turbulente de prémélange kérosène/air. L’étude s’est déroulée en deux phases : La première a été de mettre au point un dispositif expérimental permettant de mettre en évidence l’apparition du phénomène de cavitation en fonction de la géométrie de la buse, de la pression et de la température dans le réservoir. Des capteurs de pression piézoélectriques ainsi que des buses transparentes ont permis d’observer une plus grande intensité du phénomène de cavitation avec la buse de plus petit diamètre (2.25 80 W). La seconde a consisté à évaluer l’impact de la cavitation sur les performances de la flamme. Les résultats ont mis en évidence que la cavitation a une influence directe sur la température de flamme et la densité de flux thermique. En présence de cavitation, la structure de la flamme constituée de trois zones distinctes : flamme continue, flamme intermittente et flamme en panache est modifiée en particulier pour des nombres faibles de cavitation où il a été observé la disparition de la flamme continue. Cette observation permet de démontrer les effets néfastes de la cavitation sur la combustion dans le brûleur NexGen. Cette étude apporte des connaissances permettant une meilleure compréhension afin d’améliorer les performances des systèmes de combustion