Développement et exploitation de techniques de diagnostic optique pour la compréhension des phénomènes de combustion assistée par décharges nanosecondes impulsionnelles répétitives

• Auteur / Autrice : Guy-Alexandre Grandin
• Direction : Pierre Vervisch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gouttes

Jets

Gaz -- Analyse

Décharges électriques

Plasmas hors d'équilibre

Plasmas froids

Diagnostics de plasma

Spectroscopie des plasmas

Plasmas (gaz ionisés)

Combustion

Moteurs

Mots clés libres

Diagnostic optique

Diagnostic laser

PLIF (Planar laser induced fluorescence)

Décharges électriques nanosecondes impulsionnelles répétitives

Streamer

Résumé

Les efforts entrepris pour améliorer les performances des moteurs aéronautiques (réduction du délai d’allumage, prévention de l’extinction de flammes, extension des limites de flammabilité, réduction des émissions polluantes…) nécessitent de nouveaux concepts de combustion impliquant notamment l’utilisation de systèmes d’injection de carburant liquide basés sur la technologie Lean-Premixed-Prevaporized (LPP). Cependant, ces systèmes d’injection peuvent produire des instabilités de combustion qui induisent des contraintes dommageables pour leur exploitation industrielle. Ces perturbations peuvent néanmoins être réduites par de nouveaux concepts technologiques visant à modifier la cinétique chimique de la combustion. Celle-ci se produit par une production significative d’électrons qui ont pour rôle de produire un plasma hors-équilibre responsable de la dissociation partielle des réactifs en radicaux. Les radicaux, ainsi créés, contribuent à un accroissement des mécanismes réactionnels pouvant même conduire à l’allumage du mélange fuel/air. A la frontière entre les plasmas et la combustion, l’objectif de cette thèse pluridisciplinaire est d’améliorer notre compréhension sur les mécanismes thermiques et chimiques d’oxydation des réactants ainsi que sur les possibilités d’allumage du combustible induits par une décharge électrique nanoseconde produite dans un mélange gazeux méthane/air à pression atmosphérique. Le plasma hors-équilibre est produit par des impulsions de tension de 15kV et de largeur à mi-hauteur de 20 ns, répétée à une cadence maximale de 300Hz. Les évolutions temporelles des distributions de concentration de OH, CH et de H2CO sont mesurées par imagerie de fluorescence induite par laser (PLIF). Les mesures sont réalisées pour différentes richesses autour des limites d’allumage (0,5 – 1,3) dans le but de souligner les processus chimiques produits par la décharge hors-équilibre et non par la combustion elle-même. Les résultats expérimentaux associés à des mesures de température par DRASC sur N2 (Diffusion Raman anti-Stokes Cohérente) et à des caractérisations des propriétés électriques (température des électrons et densité des électrons) par diffusion Thomson sont ensuite comparés avec des simulations numériques réalisées avec le logiciel CHEMKIN couplé au mécanisme réactionnel dédié à la combustion du méthane : GRI-Mech 3. 0. Les résultats de cette comparaison soulignent les principaux mécanismes réactionnels contrôlant l’allumage d’un mélange méthane/air. En particulier, une réduction conséquente du délai d’allumage observée expérimentalement est confirmée numériquement. La production significative de radicaux à partir de l’interaction plasma/fluide mène alors à un allumage en moins de 1 s. Ce délai est plus faible de plusieurs ordres de grandeur que celui observé avec un allumage conventionnel thermique. L’intégration de ce type d’actionneur plasma sur un injecteur LPP implique de connaître également le comportement des gouttes en présence du plasma. La dernière partie de ma thèse traite de cette interaction. Pour illustrer les effets thermomécaniques de la décharge sur une goutte isolée, une expérience est réalisée sur un jet de gouttes monodisperses auquel est combiné le système d’électrodes utilisée lors des expériences en milieu gazeux. La technique d’ombroscopie sert à caractériser cette interaction. Après passage des gouttes au travers de la décharge, ces dernières augmentent en taille pendant un délai de 30 μs puis se relaxent jusqu’à revenir à leurs conditions initiales. Des comportements similaires sont obtenus quelque soit le combustible (éthanol, eau, n-undecane et acétone). Des simulations numériques prenant en compte l’hypothèse du « flash boiling atomization » permettent de retrouver des évolutions similaires à l’expérience tout en donnant une interprétation à la nucléation au sein d’un fluide plongé dans un champ électrique à partir des données expérimentales.

Efforts to further improve performances of aircraft jet engines (reduction of ignition delay, flame blow-off prevention and extension of flammability limits, reduction of pollutant emissions …) require new concepts of injection systems like for instance, Lean-Premixed-Prevaporized (LPP) injectors. However, these injection systems can produce combustion instabilities which induce serious limitations (i. E. Flashback) for industrial exploitation. We argue these perturbations can be mitigated by using alternative methods consisting on modifying the chemical kinetics of the combustion by generating and sustaining large electron number densities, which result in a non-equilibrium excitation of the gas mixture which favours the partial dissociation of reactants into radicals. These radicals then react releasing energy and broadening the radical pool and thereby ignite the fuel/air mixture. At the frontier between plasmas and combustion, the objective of this multidisciplinary thesis consists to improve our knowledge on the thermodynamics and kinetic mechanisms of fuel oxidation and also on the properties of ignition induced by a nanosecond pulsed discharge produced in an atmospheric methane/air mixture. The non-equilibrium plasma is produced by repetitive electrical pulses of 15 kV peak voltage, 20 ns pulse width and 300 Hz maximum repetition rate. Probing of the pulsed discharge has been performed with Laser-induced fluorescence (PLIF) in order to measure the temporal distributions of OH, CH and CH2O species concentrations during the plasma/gas mixture interaction. Measurements were performed for various equivalence ratios surrounding the ignition limits (0. 5 – 1. 3) in order to highlight the chemical processes produced by the discharge and not those induced by combustion. The experimental results combined with temperature CARS measurements (coherent anti-Stokes Raman scattering) and with electrical properties (electron temperature and electron density) obtained by Thomson scattering were compared with numerical simulations performed with the CHEMKIN program associated with the detailed chemical mechanism designed for the kinetic of methane/air mixtures: GRI-Mech 3. 0. The results of this comparison highlighted the main kinetic paths controlling the ignition of methane/air mixtures. In particular, a large reduction of ignition delay observed experimentally has been numerically confirmed. The production of enough radicals from the plasma/gas interaction leads to ignition in less than 1 s. This delay is several orders of magnitude lower than the conventional ignition delay times observed with thermal ignition. The integration of the plasma actuator within a LPP injector involves also the knowledge of the interaction between plasma and droplets. The last part of this thesis deals with this interaction. To highlight thermomechanical effects of the discharge on one single droplet, an experiment including a monodispersed droplet stream coupled with the electrodes configuration from the gaseous experiments was performed. Shadowgraphy was used to characterize this interaction. After passing through the plasma the droplet grows in size during a period of around 30 μs then collapses. Similar behaviours are obtained whatever the fuel composition of the droplet (ethyl alcohol, water, n-undecane and acetone). Numerical simulations have been used to study the nucleation of a liquid inside an electric field with regards to the experimental data. “Flash boiling atomization” assumption was then used to obtain the same orders of magnitude observed on the experimental data.