Détermination des caractéristiques fondamentales de combustion de pré-mélange air-kérosène, de l’allumage à la vitesse de flamme : représentativité de surrogates mono et multi-composants

Determination of the Combustion Fubdamental Characteristics for Air-Kerosene Premixed Flames, from Ignition to Laminar Burning Velocity : Representation with Mono and Multi-Component Surrogates

• Auteur / Autrice : Romain Le Dortz
• Direction : Marc Bellenoue, Julien Sotton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 19/06/2018
• 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 / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Cazalens, Camille Strozzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Économies d'énergie

Produits de remplacement

Vélocimétrie par images de particules

Environnement -- Protection

Vitesse

Flamme

Turbulence

Allumage

Combustion

Mots clés libres

Kérosène

Combustion à volume constant

Flamme sphérique

Longueur de Markstein

Kerosene

Constant-volume combustion

Sphérical flame

Markstein length

Résumé

Face à l’explosion du trafic aérien attendue ces prochaines années, l’impact de l’aviation civile sur l’environnement est un enjeu majeur. Les instances environnementales internationales comme l’ACARE (Conseil Consultatif pour la Recherche Aéronautique en Europe), en partenariat avec les grands groupes aéronautiques internationaux, ont fixé des objectifs drastiques pour préserver l’environnement : une réduction des émissions de CO2de 75 %et une réduction de 90 % des rejets d’oxydes d’azote dans l’atmosphère sont attendues d’ici 2050 par rapport aux avions fabriqués au début du 21èmesiècle. Les turbomachines actuelles possédant un degré de maturité très élevé ne permettront pas d’atteindre ces objectifs. Les motoristes cherchent donc à étudier de nouveaux concepts en rupture technologique pour les horizons 2050, comme les moteurs à détonation, ou encore les moteurs de type combustion à volume constant. Actuellement, les phénomènes physiques associés à la combustion du kérosène dans ce type de moteur sont encore mal documentés. L’objectif de cette thèse est donc de contribuer à l’amélioration de la connaissance et de la compréhension de ces phénomènes physiques.Au cours de cette étude, les flammes de pré-mélanges de kérosène et d’air sont étudiées expérimentalement grâce à des diagnostics optiques (strioscopie,PIV) et métrologiques. Le processus de combustion est notamment étudié dans des conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées dans un moteur aéronautique. La phase de propagation est dans un premier temps analysée dans des conditions laminaires et adiabatiques à travers la détermination de la vitesse fondamentale de flamme non-étirée, grandeur qui pilote le processus de combustion. Puis la sensibilité du front de flamme à l’étirement et la formation des instabilités de combustion sont dans un second temps examinées. Enfin, la phase d’allumage des pré-mélanges de kérosène et d’air dans des conditions aérodynamiques critiques est elle aussi traitée.Un second point abordé au cours de cette étude concerne la reproduction d’un kérosène réel par un substitut constitué d’un nombre d’espèces limité pour simplifier les problématiques industrielles et les études amont. En effet, la composition d’un kérosène commercial est complexe et variée et l’utilisation d’un représentant permet de modéliser numériquement le phénomène de combustion plus facilement. La pertinence de quelques surrogates plus ou moins représentatifs, formulés dans la littérature et élaborés au cours de différents travaux est notamment traitée dans cette étude en comparant les résultats obtenus avec ceux d’un kérosène commercial. De plus, la modélisation de ces kérosènes de substitution par un schéma cinétique valide estégalement analysée.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRANTech, MBDA et l’ANR.

With air traffic expected to soar in the next few years, the impact of civil aviation on the environment is a major issue. International environmental organizations such as ACARE (the Advisory Council for Aeronautical Research and Innovation in Europe), in partnership with the main international aeronautical groups, have set drastic objectives to preserve the environment: a reduction of 75 % of CO2emissions and a reduction of 90 % of nitrogen oxide emissions into the atmosphere are sought by 2050, with reference to aircraft produced at the beginning of the 21st century. Current turboshaft engines have a very high degree of maturity and may not achieve these objectives. Engineers are therefore aiming to study new concepts that will become technological breakthroughs at the 2050 horizon, such as detonation engines or constant volume combustion engines. Currently, the physical phenomena associated with the combustion of kerosene in those kinds of engines are still poorly documented. The objective of this PhD thesis is to contribute to the improvement of the knowledge and understanding of these physical phenomena. In this work, premixed flames of kerosene and air are experimentally studied with optical diagnostics (Schlieren, PIV) and metrology techniques. The combustion process is here studied in thermodynamic conditions similar to those encountered in an aeronautical engine. First, the propagation phaseis analyzed in laminar and adiabatic conditions through the determination of the unstretched laminar burning velocity, which drives the combustion process. Then, in a second stage, the sensitivity of the flame front to stretch and the formation of combustion instabilities are examined. Finally, the ignition phase of premixed flames of kerosene and air under critical aerodynamic conditions is also investigated. A second issue tackled in this work is the reproduction of a real kerosene by a surrogate made up of a limited number of species, to simplify industrial problems and initial studies. Indeed, the composition of a commercial kerosene is complex and can vary, and the use of a surrogate allows an easier numerical simulation of the combustion process. The relevance of some more or less representative surrogates, formulated in the literature and elaborated all through different studies, is also studied in this thesis, by comparing the results obtained with those of a commercial kerosene. In addition, the modelling of those surrogates by a valid chemical kinetic mechanism is also analyzed. This research was conducted within the CAPA industrial Chair project dedicated to innovative combustion modes for air-breathing propulsion, financially supported by SAFRAN Tech, MBDA and France’s ANR national research agency.