L’auto-inflammation dans le mécanisme de transition de régime de combustion de la déflagration vers la détonation

The Autoignition in the Mechanisms of Combustion Regime Transition from the Deflagration to the Detonation

• Auteur / Autrice : Hugo Quintens
• Direction : Marc Bellenoue, Camille Strozzi, Ratiba Zitoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 26/06/2019
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Falempin, Stéphane Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Christian Olivier Paschereit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de détonation

Ondes de choc

Mesures optiques

Essais

Compressibilité

Combustion spontanée

Chambres de combustion

Mots clés libres

Déflagration

Super-cliquetis

Transition de régime

N-décane

Strioscopie

Deflagration

Super-knock

Combustion regime transition

N-decane

Schlieren technique

Résumé

Pour répondre aux défis environnementaux actuels, des solutions en rupture par rapport aux turbomachines existantes sont actuellement encours de développement. Elles s’appuient sur des cycles thermodynamiques plus efficients.L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier expérimentalement les mécanismes de transition de régime de combustion pour ce type d'applications en utilisant un surrogate de kérosène, le n-décane. Pour cela, une déflagration est initiée dans une enceinte fermée et comprime les gaz frais. La pression et la température de ces derniers augmentent jusqu’à atteindre les conditions propices à l’apparition de l’autoinflammation.3 régimes de combustion successifs sont caractérisés dans la chambre de combustion au moyen de diagnostics optiques rapides. Un premier dégagement de chaleur associé à la flamme froide pré-oxyde les gaz frais, il est suivi du dégagement de chaleur principal (Main Heat Release,MHR). Pour les températures initiales de mélange les plus élevées, une détonation est observée à la fin du processus. Deux chemins de transition différents sont mis en évidence : la transition Déflagration-Auto-inflammation (DAIT) et la transition Déflagration-Auto-inflammation-Détonation (DAIDT). La sensibilité des transitions de régime aux conditions initiales de pression, de température et de richesse a été caractérisée au moyen de plusieurs études paramétriques. Dans ce but, les conditions de température, de pression et de composition du mélange sont calculées aux instants d’apparition des différents fronts réactifs (flamme froide, MHR et détonation). Il a notamment été observé que les dégagements de chaleur successifs de l’auto-inflammation se déroulaient aux mêmes températures (740 K pour la flamme froide et 1050 K pour le MHR)quelles que soient les conditions initiales. L’étude s’est concentrée ensuite sur l’analyse d’un point de fonctionnement particulier. L’étude de ce point de fonctionnement, différents vitesses de front d’auto-inflammation ont été observées, mettant en évidence le mécanisme de SWACER lors de la transition.Un critère de transition de régime depuis l’auto-inflammation proposé de Zander et al., dans le cadre d’études numériques, a été testé dans notre configuration expérimentale. Un critère modifié a été développé en lui adjoignant la notion d’effets de compressibilité dans l’écoulement réactif. L’application de ce critère à l’ensemble des essais permet de prédire l’apparition de la détonation dans les conditions où 0 et 100 % de DAIDT sont observés. Les différents domaines de transition de régime ont également été positionnés sur le diagramme de Bradley (ξ, ϵ). Les modes de combustion prédits par le diagramme sont consistants avec ceux qui sont atteints dans la chambre.L’influence de la distribution initiale de température sur les modes de combustion atteignables dans la chambre a été étudiée. Trois topologies d’auto-inflammation ont été mises en évidence pour trois distributions de température dans la chambre. Ces topologies sont séparées en deux catégories, celles privilégiant une direction particulière lors de l’auto-inflammation séquentielle et celle présentant un comportement tridimensionnel.Les essais ayant un comportement tridimensionnel présentent une très forte propension à la DAIDT mais une propagation lente des fronts d’auto-inflammation. Dans ce cas, un autre mécanisme de transition vers la détonation est mis en évidence : l’auto-inflammation d’une poche homogène de gaz génère des ondes de choc et déclenchent des auto-inflammations successives pendant leur propagation. Le couplage choc/front réactif entraine la formation de la détonation.Différents mécanismes de transition vers la détonation ont été observés et étudiés sur une large plage de conditions de pression, température,richesse et gradient thermique. Les résultats obtenus permettront d’appuyer les études numériques réalisées sur le sujet, manquant jusque-là de données expérimentales en conditions académiques.

To meet the current environmental challenges, breakthrough solutions compared to existing turbomachines are currently under development.They rely on the use of more efficient thermodynamic cycles.The objective of this thesis is to study experimentally the mechanisms of transition of combustion regime using a kerosene surrogate, n-decane.For this purpose, a deflagration is initiated in a closed chamber and compresses the fresh gases. The pressure and the temperature of the endgas increase until reaching the conditions favorable to the appearance of the autoignition in the chamber.3 successive combustion regimes are characterized in the combustion chamber by means of fast optical diagnostics. A first heat release,associated with the cool flame phenomenon, pre-oxidizes the fresh gases, it is followed by the Main Heat Release (MHR). For the highest initial temperatures, a detonation is observed at the end of the process. Two different transition paths are highlighted: the Deflagration-Autoignition Transition (DAIT) and the Deflagration-Autoignition-Detonation Transition (DAIDT).The sensitivity of regime transitions to the initial conditions of pressure, temperature and mixture composition was characterized by means of several parametric studies. For this purpose, the conditions of temperature, pressure and composition of the mixture are calculated at the onset of the different reactive fronts (cool flame, MHR and detonation). In particular, it has been observed that the successive heat releases of theauto-ignition start at the same temperatures (740 K for the cool flame and 1050 K for the MHR) whatever the initial conditions. The study, then, focused on the analysis of a particular operating point. During the study of this operating point different self-ignition front velocities were observed, highlighting the mechanism of SWACER during the transition.A regime transition criterion proposed by Zander et al. based on numerical studies has been tested in our experimental setup. A modified criterion has been developed to take into account compressibility effects in the reactive flow. The application of this criterion to all the dataset makes possible to predict the appearance of the detonation under the conditions where 0 and 100% of DAIDT are observed. The different regime transition domains have also been positioned on the Bradley diagram (ξ, ε). The modes of combustion predicted by the diagram are consistent with those reached in the chamber.The influence of the initial temperature distribution on the combustion modes achievable in the chamber has been studied. Three topologies of autoignition have been demonstrated for three initial temperature distributions in the chamber. These topologies are separated into two categories, those favoring a particular direction during sequential self-ignition and that exhibiting a three-dimensional behavior.Three-dimensional tests show a very high propensity for DAIDT but a slow spread of autoignition fronts. In this case, another mechanism of transition to detonation is evidenced: the self-ignition of an homogeneous gas pocket generates shock waves and triggers successive autoinflammations during their propagation. The shock coupling / reactive front causes the formation of the detonation. Different transition mechanisms to detonation have been observed and studied over a wide range of pressure, temperature, equivalence ratio and thermal gradient conditions. The obtained results will be useful to support the numerical studies carried out on the subject, which lacks experimental data in academic conditions.