Détonations dans les aérosols de gouttelettes liquides réactives

Detonations in fuel/air spray mixtures

• Auteur / Autrice : Mohamed El-Amine Benmahammed
• Direction : Boris A. Khasainov, Bernard Veyssière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Carburants

Atomiseurs

Ondes de choc

Aérosols

Mots clés libres

Détonabilité

Détonation

Volatilité des carburants

Résumé

Dans des milieux hétérogènes d'aérosols de gouttelettes de carburants liquides, on a étudié l'influence des propriétés physicochimiques de la phase liquide et de l'oxydant gazeux sur les conditions d'initiation d'une détonation, ses caractéristiques de propagation et l'existence d'une structure cellulaire analogue à celle des mélanges gazeux. Les expériences ont été effectuées dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, avec des gouttelettes de 30 μm. Dans l'air, avec des carburants volatils (heptane, isooctane) 3 régimes de détonation ont été observés, lorsque la richesse croît : régime hélicoïdal ; marginal avec structure à demi-cellule ; régime normal avec structure multicellulaire. Lorsque le rapport de dilution diminue, on n'observe que le régime à structure multicellulaire et la taille des cellules diminue. Dans des carburants moins volatils (octane), on retrouve les mêmes régimes de détonation, mais les tailles de cellule sont plus grandes que celles de l'isooctane. Dans le cas de carburants peu volatils (décane ou dodécane), la détonation n'a pas été initiée, quelle que soit la richesse et la dilution. Avec le nitrométhane (cas d'un monergol) on a observé la formation et la propagation d'une détonation et mis en évidence la structure cellulaire. Un modèle numérique a été développé. Seul le facteur préexponentiel de la loi de cinétique chimique est ajusté en fonction de la nature du carburant. Les résultats des simulations effectuées, en configurations bi- et tri-dimensionnelles, en fonction de la richesse et de la dilution conduisent à des régimes de propagation et à des tailles de la structure cellulaire en accord raisonnable avec les expériences.

In heterogeneous media composed of liquid fuel sprays, influence of the physico-chemical properties of the liquid phase and of the gaseous oxidizer on conditions for detonation initiation and propagation characteristics as well as on the existence of a cellular structure, similar to that observed in homogeneous gaseous mixtures, has been studied. Experiments were performed in a square cross section (53x53mm), 4-meter long detonation tube, with 30 μm droplets. In air, with volatile fuels (heptane, isooctane), three detonation regimes have been observed with increasing equivalence ratio: spinning regime; marginal one with half a cell structure; normal multi-headed detonation regime. When the dilution ratio decreases, only the multi-headed regime was observed, and the cell size diminishes. In less volatile fuel (octane), the same detonation regimes were observed, but the cell sizes are larger than those of isooctane. In hardly volatile fuels (decane or dodecane), it was not possible to initiate a detonation, whatever the equivalent or the dilution ratios. With nitromethane (monopropellant), the initiation and propagation of a detonation was observed, and the existence of the cellular structure was displayed. A numerical model has been built on, in which only the pre-exponential factor of the chemical kinetics law is adjusted depending on chemical properties of the considered fuel. Results of 2D and 3D numerical simulations, as function of the equivalent ratio and the dilution ratio, display propagation regimes and detonation cell sizes in reasonable agreement with experimental results.