Application de la diffusion Rayleigh induite par laser à la caractérisation des fronts de flamme laminaire de prémélange H2/CH4/Air et H2/CO/Air

Application of laser induced Rayleigh scattering to the characterization of H2/CH4/Air and H2/CO/Air premixed laminar flame fronts

• Auteur / Autrice : Ludovic Ponty
• Direction : Iskender Gökalp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique
• Date : Soutenance le 14/06/2011
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Christine Mounaim-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iskender Gökalp, Christine Mounaim-Rousselle, Nasser Darabiha, Bruno Renou, Frédéric Grisch, Christian Chauveau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nasser Darabiha, Bruno Renou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayleigh, Diffusion de

Hydrogène

Flamme

Mots clés libres

Flammes à jets opposés

Epaisseur de flamme

Syngas

Counterflow flames

Flame thickness

Syngas

Résumé

Ce travail de Thèse est consacré à la caractérisation de la structure thermique des fronts de flammelaminaire de prémélange H2/CH4/Air et H2/CO/Air pauvres. L’étude a été réalisée sur un brûleur à jets opposés, permettant de stabiliser des flammes planes stationnaires, dans des conditions quasi-adiabatiques, pour différentes conditions d’étirement. Un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie de Particule (PIV) et un diagnostic bidimensionnel de diffusion Rayleigh induite par laser ont été utilisés successivement pour étudier l’influence de la richesse, de la concentration en hydrogène dans le combustible et de l’étirement sur le profil de température normal au front de flamme. Trois grandeurs fondamentales ont été étudiées : la température des gaz brûlés, le gradient maximum de température et l’épaisseur de flamme au sens de Spalding. Une attention particulière a été portée à l’interprétation du signal Rayleigh. Ce dernier dépendant notamment de la composition du gaz qui évolue à travers le front de flamme. Dans ce travaille de thèse, cette évolution a été évaluée numériquement (simulations 1D : CANTERA et OPPDIF) puis prise en compte pour améliorer le traitement des données expérimentales. Les résultats expérimentaux couvrent une gamme de richesses s’étalant pour H2/CH4/Air et H2/CO/Air, respectivement de 0.6 à 0.8 et de 0.4 à 0.6. Les concentrations en hydrogène dans le combustible s’étalent respectivement de 0 à 50% et de 10 à 50%. Une comparaison systématique a été faite avec les résultats de simulation numérique 1D (OPPDIF).

This Thesis is devoted to the characterization of the thermal structure of H2/CH4/Air and H2/CO/Air laminar flames. Counterflow flame setup has been used to study planar flames in steady and near-adiabatic conditions. Particle Image Velocimetry and laser induced Rayleigh scattering diagnostics has been successively applied to characterize the influence of equivalent ratio, hydrogen concentration in fuel and stretch on the temperature profile normal to the flame front. Three fundamental characteristics have been studied: the burned gas temperature, the maximum temperature gradient and the flame thickness defined by Spalding. Particular attention has been brought to the interpretation of the Rayleigh signal. Indeed, Rayleigh scattering depends on the gas composition which evolves across the flame front. This evolution has been numerical evaluated in this work (1D simulation: CANTERA and OPPDIF) and taken into account to improve Rayleigh data processing. Experimental results have been obtained for lean flames: equivalent ratio spreads from 0.6 to 0.8 and from 0.4 to 0.6 respectively for H2/CH4/Air and H2/CO/Air flames. A wide range of hydrogen concentration has been studied: from 0 to 50% of hydrogen in fuel for H2/CH4/Air flames and from 10 to 50% of hydrogen in fuel for H2/CO/Air flames. Experimental and numerical (OPPDIF) results have been systematically confronted.