Impact d'une phase liquide dispersée sur le processus d'auto-inflammation : prise en compte d'une chimie détaillée

Impact of a dispersed liquid phase on the autoignition process by considering a detailed chemistry

• Auteur / Autrice : Zakaria Bouali
• Direction : Julien Reveillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• 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

Heptane

Cinétique chimique

Évaporation

Combustion spontanée

Calculs numériques

Mots clés libres

Dns

Auto-inflammation

Chimie complexe et tabulée

Ségrégation préférentielle

Résumé

Cette thèse traite de l'influence d'un spray en évaporation sur le processus d'auto-inflammation. La thématique s'inscrit dans le cadre général des systèmes industriels tels que les moteurs diesel, basés sur une combustion turbulente initiée par l'auto-inflammation d'un combustible injecté sous forme liquide. L'outil utilisé est un code de simulation numérique directe (DNS) dans lequel la phase gazeuse est résolue par une approche Eulérienne tandis que la phase liquide dispersée est modélisée par une approche Lagrangienne. Pour rendre compte du phénomène complexe d'auto-inflammation, une cinétique chimique semi-détaillée est directement résolue. Dans un premier temps, l'influence des propriétés du gaz et du liquide sur le délai d'auto-inflmammation est étudiée. Sur plusieurs configurations (réacteurs homogènes et hétérogènes, turbulence homogène isotrope), des comparaisons entre auto-inflammation en milieu diphasique et auto-inflammation purement gazeuse mettent en évidence les modifications induites par le spray en évaporation. L'accent est mis sur la localisation des zones les plus réactives et sur l'existence d'une forte corrélation entre les zones à faible dissipation scalaire et les sites les plus favorables à l'auto-inflammation. Dans un second temps, le modèle de tabulation chimique FPI (Flame Prolongation of IDLM) basé sur la fermeture des taux de réaction à partir de fractions massiques des espèces tabulées a été implanté pour évaluer sa capacité à reproduire les résultats obtenus par l'approche chimie complexe. Les comparaisons avec la chimie complexe résolue ont été effectuées sur des cas homogènes et des cas turbulents en présence de gouttelettes. Il s'avère que la présence d'un spray évaporant modifie fortement les processus d'évolution de la chimie rendant difficile l'utilisation de tabulations "a priori".

This thesis discusses the influence of spray evaporation in the autoignition process. This research topic is a key component of the Industrial Systems Framework such as diesel engines and similar processes based on turbulent combustion initiated by autoignition of a fuel / air mixture prepared by injection of a liquid fuel. We used a Direct Numerical Simulation (DNS) code in which the gas phase is solved by an Eulerian approach, while the dispersed liquid phase is modelled by a Lagrangian approach. To account for autoignition complex phenomena, a skeletal chemical kinetic is directly resolved. In the first part of this work, the influence of gas and liquid properties on the autoignition delay was studied. On several configurations (homogeneous and heterogeneous reactors, homogeneous isotropic turbulence), comparisons between diphasic autoignition and purely gaseous autoignition highlight the impact of the evaporating spray. The emphasis is on the location of the moist reactive zone and the existence of a strong correlation between regions of low scalar dissipation and the most favourable autoignition sites. In the second part, a tabulated chemistry model FPI (Flame of Prolongation LMDL) based on the closure of reaction rates from tabulated species mass fractions was implemented to evaluate the ability to reproduce results obtained by the complex chemistry approach. Comparisons with the resolved complex chemistry were performed on homogeneous and turbulent cases with the presence of droplets. It turns out that the presence of an evaporating spray strongly modifies the chemistry evolution process making it difficult to use "a priori" tabulations.