Contributions expérimentales et numériques à la production de suie dans les flammes de diffusion laminaires axisymétriques

Experimental and numerical contributions to soot production in laminar axisymmetric diffusion flames

• Auteur / Autrice : Felipe Andrés Escudero Barros
• Direction : Jean-Louis Consalvi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Energétique
• Date : Soutenance le 18/01/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Céline Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Bourbigot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Legros, Alexis Coppalle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Butane

Propane

Éthylène

Suie

Mots clés libres

Flamme laminaire de diffusion

Indice d’oxygène

Production de la suie

Morphologie de la suie

Distribution en taille des particules

Laminar diffusion flames

Oxygen index

Soot production

Soot morphology

Population balance equation

Particle size distribution.

Résumé

Une étude expérimentale a été réalisée avec le but principal de caractériser la production de suie pour différents indices d’oxygène (OI) dans des flammes de diffusion normale (NDF) et inverse (IDF). Pour les IDFs, une augmentation de l’OI augmente la formation de suie mais n’affectent pas les processus d’oxydation, ce qui conduit à une augmentation de la fraction volumique de la suie et de la fraction rayonnée. Une analyse dimensionnelle basée sur le point de fumée (SP) a permis d’unifier les comportements pour les NDFs générées par la combustion de l’éthylène, du propane et du butane en termes de hauteur de flamme, de fraction volumique de suie et de fraction rayonnée au SP. Dans une deuxième étape, une étude numérique a été réalisée avec pour objectif principal d’évaluer les capacités de la méthode sectionnelle (SM) et trois méthodes des moments (MOM) à prédire la structure morphologique des particules de suie. A cette fin, les MOMs ont été implémentées dans un code` parallèle existant pour la simulation des flammes de diffusion laminaires axisymétriques. Les résultats ont montré que la SM est capable de reproduire les données expérimentales disponibles, tandis que les MOMs ne sont pas en mesure de prédire tous les détails de la morphologie des particules de suie avec le même niveau de précision. Une analyse des principales différences entre la SM et les MOM a été réalisée. La principale raison des différences observées entre les MOMs et la SM est liée à l’impossibilité des MOMs à satisfaire l’hypothèse de conservation du nombre densité de particules primaires et du nombre de particules primaires par agrégat pendant les processus de croissance surfacique de la suie

An experimental study was performed with the main objective of characterizing soot production for different oxygen indices (OIs) in normal (NDFs) and inverse (IDFs) diffusion flames. Specific absorption-emission based methods were developed, implemented and validated to measure soot volume fraction and temperature. It was found that for IDFs, an increase on the OI produces an enhancement of soot formation but does not affect oxidation processes, leading to an increase on soot volume fraction and radiant fraction. In addition, a scaling analysis based on the smoke point (SP) resulted on a unified behavior for ethylene, propane and butane fueled NDFs in terms of flame height, soot volume fraction and radiant fraction at SP. In a second step, a numerical study was performed with the main objective of evaluating the predictive capabilities of the sectional method (SM) and three methods of moments (MOMs) for the resolution of the population balance equation (PBE) for soot particle size distribution (PSD). For this purpose, the MOMs were added to an existing parallel code for simulating laminar axisymmetric diffusion flames. The SM was able to reproduce the available experimental data whereas the MOMs were not able to predict details of soot morphology with the same level of accuracy. An analysis on the main differences between the SM and MOMs was performed. The main issue identified for the MOMs was the inability to satisfy the assumption of conservation of number density of primary particles and number of primary particles per aggregate during soot surface processes