Étude expérimentale et modélisation du comportement d'un brouillard de carburant à haute température : influence des interactions inter-gouttes sur son évaporation

Experimental study and modeling of fuel spray at high temperature : influence of the droplet interactions on the evaporation

• Auteur / Autrice : Lola Rousseau
• Direction : Olivier Simonin, Mikaël Orain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Multi-Physique pour l'Energétique - DMPE (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Matas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Simonin, Mikaël Orain, Marc Bellenoue, Christine Mounaïm-Rousselle, Céline Morin, Aymeric Vié, Pierre Doublet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bellenoue, Christine Mounaïm-Rousselle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Moteurs -- Combustion

Hautes températures

Avions -- Carburants

Mots clés libres

Interaction goutte

Evaporation

Combustion

Haute température

Carburant liquide

Droplet interaction

Evaporation

Combustion

Liquid fuel

High temperature

Résumé

Aujourd’hui, la réduction de l’impact de l’aviation sur l’environnement est un enjeu économique et politique majeur. Afin de veiller à diminuer la consommation de carburant et l’émission des espèces polluantes par les turbomachines, les motoristes continuent d’optimiser les chambres de combustion des moteurs.Dans les turbomachines déployées aujourd’hui sur le marché, le carburant est injecté sous la forme d’un brouillard de gouttes. Par conséquent la chambre de combustion est un milieu où l’on retrouve une phase gazeuse avec l’air et une phase liquide avec le carburant. Or, dans ce cas, le processus de combustion est particulièrement complexe et est encore mal compris puisqu’il implique divers phénomènes physiques qui sont couplés entre eux. C’est pourquoi il est nécessaire de mieux appréhender et de décrire la combustion d’un spray.L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement le comportement d’un écoulement diphasique en évaporation et en combustion afin mieux comprendre les phénomènes d’évaporation et de combustion d’un brouillard de gouttes. Pour cela, des mesures ont été réalisées en conditions non-réactives et réactives sur le banc d’essai LACOM de l’ONERA. Cela a permis de constituer une base de données expérimentales servant à l’étude de l’évaporation et de la combustion d’un spray.Les images de diffusion de Mie acquises lors des essais ont servi à caractériser la distribution spatiale des gouttes à partir de l’estimation de la distance inter-gouttes à la plus proche voisine et de la densité de gouttes dans le spray. De plus, la distribution spatiale obtenue expérimentalement a été comparée à plusieurs distributions théoriques représentatives de la distribution de gouttes dans un spray. Cela a permis de mettre en évidence que la distribution des gouttes s’apparente plutôt à la distribution aléatoire uniforme. Cependant, dans certains cas, la distribution spatiale des gouttes semble être impactée par des effets de ségrégation préférentielle des gouttes. Par la suite, l’acquisition en conditions réactives d’images de fluorescence induite par laser du kérosène a servi à étudier la distribution spatiale de vapeur de kérosène dans le spray. Cette étude a mis en évidence une distribution hétérogène des températures et de la concentration de kérosène vapeur dans l’écoulement. Enfin, une visualisation simultanée de la fluorescence induite par laser du kérosène et du radical OH a permis de d’étudier la position des gouttes par rapport au front de flamme et ainsi observé certains régimes de combustion.

Today, reducing the impact of aviation on the environment is a major economic and political issue. To ensure that aeroengine consumes less fuel and emits fewer pollutants, engine manufacturers continue to optimize engine combustion chambers.In the aeroengines deployed on the market today, fuel is injected as a spray on the combustion chamber. Therefore, the combustion chamber is a two-phase flow area. In this case, the combustion process is particularly complex and is still poorly understood since it involves several physical phenomena that are coupled together. For this reason, it is necessary to better understand and describe the spray combustion.The objective of this thesis is to study experimentally the behaviour of a two-phase flow in non-reactive and reactive conditions in order to better understand the spray vaporization and combustion. To this end, experimental measurements were carried out under non-reactive and reactive conditions on the test bench LACOM at the ONERA to create an experimental database.The Mie scattering images had been processed to characterize the spatial droplet distribution from the estimation of the nearest-neighbour inter-droplet distance and the droplet density number. In addition, the experimental spatial droplet distribution had been compared to several theoretical distributions which may be used to describe the spatial droplet distribution in a spray. This comparison highlights that the spatial droplet distribution is similar to the uniformly randomly distribution. However, in some cases, preferential segregation effects seem to occur. Furthermore, the images of planar laser induced fluorescence of kerosene had been used to study the spatial distribution of kerosene vapour in the spray. This study shows a heterogeneous distribution of temperatures and kerosene vapour concentration in the flow. Finally, a simultaneous visualization of the planar laser-induced fluorescence of kerosene and OH radical allowed to study the position of the droplets according to the flame front. Some droplets combustion regimes had been observed.