Comportements dynamiques de la détonation dans des compositions gazeuses non-uniformes

Dynamical Behaviours of Detonation in Non-Uniform Gaseous Compositions

• Auteur / Autrice : Stéphane Boulal
• Direction : Pierre Vidal, Ratiba Zitoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 17/02/2017
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Luc Vervisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bellenoue, Michel Cazalens, Dmitry Davidenko
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Akiko Matsuo, Thierry Poinsot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Oxygène

Éthane

Propane

Hautes températures

Hautes pressions

Combustion

Moteurs

Ondes de détonation

Mots clés libres

Moteurs à détonation

Compositions non-uniformes

Extinction

Réamorçage

Detonation engines

Non-uniform compositions

Quenching

Re-initiation

Résumé

Notre étude porte sur la caractérisation expérimentale et numérique de la dynamique des ondes de détonation dans des prémélanges gazeux non-uniformément distribués dont les gradients de composition sont orientés selon la direction de propagation de la détonation. Elle vise à améliorer la compréhension des phénomènes complexes présents dans une chambre de combustion de moteur à détonations pulsées (PDE) ou rotatives (RDE) et dans des situations de fuites accidentelles de combustibles. Nous rappelons d’abord le contexte de notre étude, la phénoménologie de la détonation dans les gaz et les travaux antérieurs sur la propagation de la détonation dans des compositions non-uniformes. Nous décrivons ensuite le banc expérimental que nous avons conçu pour satisfaire à la contrainte de génération contrôlée de gradients de composition dans une chambre d’étude de section carrée 50⇥50 mm2 et de longueur 665 mm, et les diagnostics que nous avons mis en œuvre : sondes à oxygène, capteurs de pression dynamique, enregistrements sur plaques recouvertes d’un dépôt de carbone, strioscopie et spectroscopie par chimiluminescence ultra-rapides. Nous présentons alors les résultats de nos expériences dans des compositions de propane ou d’éthane et d’oxygène à la pression et à la température initiales 200 mbar et 290 K. Nous avons considéré des distributions monotones, de richesse décroissante, et des distributions non-monotones, de richesse décroissante puis croissante. Dans les distributions monotones, nous avons identifié deux types d’extinction de la détonation, l’un brusque, par découplage choc-flamme, pour des gradients suffisamment forts, l’autre progressif, par transition vers des modes marginaux de propagation, pour des gradients plus faibles. Nous avons proposé et validé des critères d’existence de la détonation fondés sur les échelles caractéristiques du problème. Nous avons démontré, pour ces distributions, la capacité de simulations numériques avec cinétique chimique détaillée à représenter nos expériences, dans le cadre d’une collaboration avec l’Université Keio. Dans les distributions non-monotones, nous avons identifié des comportements super-critique, critique et sous-critique, selon que la détonation est transmise ou non de la zone où la richesse diminue vers celle où elle augmente. Nous avons en particulier identifié les conditions de réamorçage d’une détonation éteinte dans la zone de richesse décroissante. Notre étude souligne l’intérêt de travaux futurs sur des non-uniformités de compositions initiales constitués de gaz brûlés et de gaz frais et donc, également, des non-uniformités de température initiale. Elle souligne aussi la nécessité de diagnostics optiques et d’outils numériques performants, et de schémas détaillés de cinétique chimique adaptés aux hautes pressions et températures caractérisant la dynamique des détonations.

Our study is an experimental and numerical work on the dynamical behaviours of detonation waves in non-uniformly distributed premixed gases with composition gradients parallel to the direction of the detonation propagation. The study aims at improving the understanding of the complex phenomena involved in the combustion chambers of pulsed or rotating detonation engine (PDE, RDE) and after accidental leaks of fuels. We first remind the context of our study, the phenomenology of gaseous detonation and the previous works on detonation propagation in non-uniform compositions. We then describe the experimental set-up that we have designed in order to meet the constraint of a controlled generation of composition gradients in a 50⇥50 mm2 square-section, 665-mm length test chamber, and the diagnoses that we have implemented : oxygen probes, fast pressure transducers, carbon-sooted plates and ultrafast Schlieren and chemiluminescence spectroscopy. Next, we present the results of our experiments in mixtures of propane or ethane and oxygen with initial pressure and temperature 200 mbar and 290 K, respectively. We have considered monotonic distributions, with decreasing equivalence ratio, and non- monotonic distributions, with decreasing then increasing equivalence ratio. In the monotonic distributions, we have identified two types of detonation quenching, one sudden, with a shock-flame decoupling, for the steeper gradients, the other progressive, with a transition through marginal modes of detonation propagation, for the weaker gradients. We have proposed and validated criteria for detonation, based on the characteristic scales of the problem. We have demonstrated, for these monotonic distributions, the ability of numerical simulations with detailed schemes of chemical kinetics to represent our experimental observations, through a collaboration with Keio University. In the non-monotonic distributions, we have identified super-critical, critical and sub-critical behaviours, depending on whether the detonation is transmitted or not from the domain where the equivalence ratio decreases to that where it increases. In particular, we have identified the re-initiation conditions for a detonation that was quenched in the domain of decreasing equivalence ratio. Our study stresses the interest for future works to consider non-uniform distributions of mixtures comprising burnt gases and fresh reactants, and, consequently, non-uniform distributions of temperature. It also stresses the need for performing optical diagnoses and numerical capacities and for detailed schemes of chemical kinetics adapted to the high pressures and temperatures characterizing detonation dynamics.