Contribution à l'étude du déclenchement de la combustion par décharge électrique en milieu diphasique

Contribution to the study of combustion triggering by an electrical discharge in a two-phase mixture

• Auteur / Autrice : Pierre Tardiveau
• Direction : Emmanuel Marode
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Décharge électrique

Streamer

Tension impulsionnelle

Déclenchement de la combustion

Pression, effets

Milieu diphasique

Vitesse de propagation

Résumé

Cette étude tente de comprendre les mécanismes de déclenchement de la combustion d'un mélange d'air et de carburant à partir d'une décharge électrique en géométrie inhomogène de type pointe-plan. Les paramètres pris en compte sont d'une part la pression et d'autre part la nature diphasique du mélange. Dans une première partie, nous montrons que l'augmentation de la pression modifie le développement de la décharge en confinant la chaleur au cœur du filament. A pression atmosphérique, il est nécessaire de transiter du streamer vers l'arc pour obtenir un plasma réactif propice à l'allumage. A pression élevée, ce plasma thermique peut être obtenu beaucoup plus rapidement pendant la propagation de la décharge dans l'intervalle. Dans une deuxième partie, une étude expérimentale sur des maillages isolants et des simulations tridimensionnelles de distribution spatiale du champ électrique permettent de mettre en évidence les interactions électrostatiques d'une décharge électrique et d'un brouillard de gouttelettes isolantes. Les effets des hétérogénéités du mélange sur la décharge sont précisés dans une troisième partie par l'analyse électro-optique du développement spatio-temporel d'une décharge électrique de type streamer en présence d'un jet de gouttelettes liquides isolantes. La mise en place d'un dispositif synchronisé de caméras ultra-rapides à balayage et d'une technique de découplage spatio-temporel des courants permet de confirmer les effets observés dans la deuxième partie, à savoir une augmentation des tensions seuil de streamer et une diminution de la tension d'arc en présence de gouttelettes, et de caractériser précisément l'augmentation des vitesses de propagation de la décharge et l'effet de guidage sur son développement spatial dans les mêmes conditions. Les gouttelettes de carburant peuvent être considérées comme des réservoirs d'énergie et d'électrons germes favorisant la propagation de la décharge, le passage à l'arc et le déclenchement de la combustion.

This study is an attempt to understand the mechanisms involved in the release of the combustion of an air-fuel mixture by means of an electrical discharge in a non-uniform geometry like a point-to-plane gap. The parameters taken into account are the pressure and the two-phase nature of the mixture. In a first part, it is shown that the increase of pressure modifies the discharge development, confining the heat in the core of the filament. At atmospheric pressure, it is necessary to pass from the streamer to the spark in order to obtain a reactive plasma favorable to combustion triggering. When pressure is higher, this thermal plasma can be reached much more quickly during the propagation of the discharge into the interval. In a second part, an experimental study on isolating meshes and three-dimensional simulations of electrical field space distributions reveal the electrostatic interactions between an electrical discharge and a cloud of isolating droplets. The effects of the mixture heterogeneities on the discharge can be specified in a third part by the electro-optical analysis of the space-time development of a streamer discharge in the presence of a jet of isolating liquid drops. Using a synchronised set-up with ultra-fast cameras (streak and frame) and a space-time decoupling technique of the current impulses, the effects observed in the second part can be confirmed: The increase of the streamer threshold voltages, the reduction of the spark critical voltages, a guiding effect on the spatial advancement of the discharge and an increase of its propagation velocity. The fuel droplets can be considered as local energy sources, providing primary electrons promoting the discharge propagation, the transition towards the spark and the combustion triggering.