Études DNS des décharges plasma hors-équilibre dans des mélanges réactifs au repos et en regime d’écoulement turbulent

Direct Numerical Simulations of plasma-assisted ignition in quiescent and turbulent flow conditions

• Auteur / Autrice : Maria Luis Gracio Bilro Castela
• Direction : Benoît Fiorina, Nasser Darabiha, Christophe Laux, Olivier Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 12/05/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Pasquiers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Fiorina, Nasser Darabiha, Christophe Laux, Olivier Gicquel, Pascale Domingo, Dominique Thévenin, Bénédicte Cuenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Domingo, Dominique Thévenin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Turbulence

Mots clés libres

Allumage assistée par plasma

Modélisation des plasmas hors-équilibre

Turbulence

Plasma-assisted ignition

Non-equilibrium plasmas modelling

Plasma turbulence

Résumé

La combustion assistée par plasma a reçu une attention croissante dans les deux communautés de plasma et de combustion. Les décharges Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) sont des techniques prometteuse et efficaces pour initier et contrôler les processus de la combustion en particulier quand les systèmes d’allumage conventionnels sont inefficaces ou trop coûteux en énergie. Néanmoins, les phénomènes rencontrés dans la combustion assistée par plasma sont encore mal connus. Les études numériques présentées dans la littérature sont limitées à des simulations 1-D et 2-D dans des conditions au repos. La complexité du problème augmente dans les configurations pratiques où le phénomène d’allumage est contrôlé par le mouvement du fluide ainsi que le mélange autour de la zone de décharge. La simulation numérique directe (DNS) est un outil de recherche puissant pour la compréhension des interactions plasma/combustion/écoulement. Toutefois, le coût de calcul de la combustion turbulente avec un nombre de Reynolds élevé et la cinétique chimique détaillée couplée avec le plasma hors-équilibre est prohibitif. Cette thèse présente un nouveau modèle de couplageplasma-combustion pour introduire les effets des décharges de plasma hors-équilibre dans le système d’équations qui décrit le phénomène de la combustion. Le modèle est construit en analysant les chemins par lesquels l’énergie électrique est transférée au gaz. Ce modèle de décharges NRP permet des simulations multidimensionalesDNS de la combustion et l’allumage assistés par plasma. Les phénomènes physiques complexes de l’allumage assisté par décharges multiples de plasma dans des mélanges au repos et en régime d’écoulement turbulent sont analysés dans cette thèse.

Plasma-assisted combustion has received increasing attention in both plasma and combustion communities. Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are a promising and efficient technique to initiate and control combustion processes particularly when conventional ignition systems are rather ineffective or too energy costly. Even though a promising technique, the phenomena occurring in NRP discharges-assisted combustion are still poorly understood. The numerical studies presented in the literature are limited to 1-D and 2-D simulations in quiescent conditions. The problem complexity increases in practical configurations as ignition phenomena are also controlled by the flow and mixing field characteristics in and around the discharge channel. Direct Numerical Simulations (DNS) is a powerful research tool to understand these plasma/combustion/flow interactions. However, the computational cost of fully coupled detailed non-equilibrium plasma and combustion chemistry, and high Reynolds number simulations is prohibitive. This thesis presents a model to describe the effects of non-equilibrium plasma discharges in the set of equations governing the combustion phenomena. Based on the results reported in the literature, the model is constructed by analyzing the channels through which the electric energy is deposited. The two main channels by which the electrons produced during the discharge impact the reactive mixture are considered: 1) the excitation and the subsequent relaxation of the electronic states of nitrogen molecules, which leads to an ultrafast increase of the gas temperature and dissociation of species; and 2) the excitation and relaxation of vibrational states of nitrogen molecules which causes a much slower gas heating. This high level model of NRP discharges allows DNS studies of plasma-assisted combustion / ignition in high turbulent Reynolds number. The complex physics underlying plasma-assisted ignition by multiple discharges in both quiescent and turbulent flow conditions are discussed in the present thesis.