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Le 14 décembre 2021

Soutenance de thèse de Nils WILHELMSEN

Algorithmes d'estimation pour les instabilities thermo-acoustiques avec dynamique distribuée et non-linéaire

Résumé de la thèse en français

Les instabilités thermoacoustiques indésirables sont nocives pour les systèmes de combustion qui en souffrent, tels que les chambres de combustion des turbines à gaz fonctionnant dans des conditions de prémélange pauvre. Des systèmes de surveillance avancés sont nécessaires pour estimer et prévoir le phénomène afin d'aider à la prise de décision et à la stabilisation automatique. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une description distribuée de l'acoustique interfacée avec des modèles de dégagement de chaleur, avec des non-linéarités lorsque cela est possible, pour décrire les instabilités. Des algorithmes d'estimation d'état et de paramètres prenant en compte ces effets dynamiques sont explorés. Deux niveaux de complexité différents sont considérés : nous partons d'une configuration de laboratoire et nous nous dirigeons vers un modèle de modes thermoacoustiques longitudinaux dans une chambre de combustion en boîte. Tout d'abord, l'estimation de l'état du tube de Rijke chauffé électriquement est considérée. Un observateur globalement convergent, prenant en compte les non-linéarités du réchauffeur électrique et la dynamique distribuée, est proposé et analysé. Ceci est associé à un identifiant de paramètre pour estimer les impédances acoustiques aux limites. L'observateur d'état et l'identifiant de paramètre sont testés à la fois en simulation et expérimentalement. Ensuite, un identificateur de paramètre pour estimer les deux paramètres de frontière de systèmes hyperboliques linéaires 2 × 2 avec une seule mesure de frontière est proposé. En outre, un modèle transitoire de l'acoustique dans un conduit avec une section transversale variant dans l'espace est dérivé. En utilisant ces deux résultats ensemble, le schéma d'estimation des paramètres aux limites pour le tube de Rijke est étendu à des conduits plus généraux. Un contrôleur de retour de sortie, combinant une loi de contrôle de retour d'état complet et un observateur de frontière colocalisé, pour les instabilités thermoacoustiques longitudinales dans un modèle de chambre de combustion avec acoustique distribuée et un modèle de flamme linéaire est proposé ensuite. La convergence est prouvée et elle est testée dans des simulations. Enfin, le problème d'estimation d'état pour un modèle de chambre de combustion avec une flamme non linéaire est considéré. Les réseaux de neurones sont utilisés pour concevoir un observateur pour le sous-système de flamme, qui est ensuite vérifié sur les données CFD.

Résumé de la thèse en anglais

Unwanted thermoacoustic instabilities are harmful to combustion systems that suffer from them such as gas turbine combustors operating under lean premixed conditions. Advanced monitoring systems are needed to estimate and forecast the phenomenon to assist in decision making and automatic stabilization. In this Thesis we propose using a distributed description of acoustics interfaced to heat release models, with nonlinearities whenever possible, to describe the instabilities. State and parameter estimation algorithms taking these dynamic effects into account are explored. Two different levels of complexity are considered: we start with a laboratory setup and move towards a model of longitudinal thermoacoustic modes in a can combustor. First, state estimation for the electrically heated Rijke tube is considered. A globally convergent observer, taking into account nonlinearities from the electrical heater and distributed dynamics, is proposed and analysed. This is paired with a parameter identifier for estimating boundary acoustic impedances. The state observer and parameter identifier are tested both in simulations and experimentally. Next, a parameter identifier to estimate both boundary parameters of 2 × 2 linear hyperbolic systems with a single boundary measurement is proposed. Also, a transient model of acoustics in a duct with spatially varying cross-sectional area is derived. Using these two results together the boundary parameter estimation scheme for the Rijke tube is extended to more general ducts. An output feedback controller, combining a full-state feedback control law and collocated boundary observer, for longitudinal thermoacoustic instabilities in a model of a can combustor with distributed acoustics and a linear flame model is proposed next. Convergence is proven and it is tested in simulations. Lastly, the state estimation problem for a can combustor model with a nonlinear flame is considered. Neural networks are used to design an observer for the flame subsystem, which is subsequently verifed on CFD data.

Titre anglais : Estimation Algorithms for Thermoacoustic Instabilities with Distributed and Nonlinear Dynamics
Date de soutenance : mardi 14 décembre 2021 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 boulevard Saint-Michel, 75006 Paris - L109
Directeur de thèse : Pierre ROUCHON
Co-encadrant : Florent DI MEGLIO