Caractérisation expérimentale de décharges électriques et de la formation du noyau d'allumage. Application à l'étude des performances d'allumeurs aéronautiques

Experimental Characterization of Electrical Discharges and Formation of the Ignition Kernel. Application to the Study of Performances of Aeronautical Igniters

• Auteur / Autrice : Carlos Javier Benito Parejo
• Direction : Julien Sotton, Camille Strozzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• 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 : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Gabriele Discepoli, Marc Bellenoue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Renou, Carlo Nazareno Grimaldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie

Moteurs -- Combustion

Décharges électriques

Calorimétrie

Allumage

Aéronautique

Mots clés libres

Allumage par étincelle

SBOS (Speckel-Based Background-Oriented Schlieren)

Allumeurs aéronautiques

Spark ignition

SBOS (Speckel-Based Background-Oriented Schlieren)

Aircraft igniter

Résumé

Les systèmes d'allumage par étincelle sont généralement définis par l'énergie électrique utilisée pour leur fonctionnement. Cependant, la caractéristique physique qui affecte directement le processus d'allumage est l'énergie déposée dans le fluide par le système. Ce travail porte sur le développement de deux méthodologies proposées pour la caractérisation du dépôt d’énergie thermique de décharges électriques produites par différents systèmes d'allumage et de leur mise en œuvre au travers d’une étude paramétrique.Un dispositif expérimental est mis au point afin de développer et mettre en œuvre simultanément les deux techniques: une technique non optique, la calorimétrie à volume constant, et une technique optique, la SBOS (Speckle-based Background-Oriented Schlieren). L’étape de validation de ces méthodes est réalisée dans une configuration de référence d’un allumeur inductif alimentant une paire d'électrodes pointe-pointe.La calorimétrie à volume constant permet de mesurer un dépôt d'énergie thermique fournie au fluide par l’analyse de la montée en pression à l'intérieur d'une chambre de petit volume. Un suivi temporel du dépôt d’énergie pendant la décharge est ainsi obtenu. La mesure globale dans un volume de contrôle rend cette technique adaptable à tous types de décharges et d’électrodes. Le rapport entre le dépôt d'énergie thermique et l'apport d'énergie électrique représente l'efficacité du transfert d'énergie. Cette dernière est comprise entre 15 et 40 % pour la configuration de référence. Le dépôt d'énergie et l'efficacité du transfert d’énergie sont plus élevés à mesure que la pression et l'écart inter-électrode augmentent. Des essais avec un mélange inerte azote-propane montrent que le dépôt d'énergie est plus important en présence de carburant que dans l'air pur.La SBOS est une méthode optique permettant de quantifier les variations d’indice optique générés par le phénomène étudié. Le principe consiste à comparer des images d’un motif visualisé au travers du phénomène avec ce même motif en l’absence de phénomène. Cette technique est ici adaptée aux contraintes d’échelles spatiale et temporelle d’une décharge électrique. Une procédure de traitement a été développée afin d’obtenir les champs de masse volumique, de température et enfin l'énergie locale au moment de l'acquisition de l'image. Le volume du noyau chaud produit par le plasma et le dépôt d'énergie en sont déduits. Ces propriétés sont mesurées à différents instants de l'évolution du noyau. Dans la configuration de référence, il est montré que les températures dans le noyau chaud atteignent des valeurs plus élevées pour des distances inter-électrodes et des pressions plus élevées ou encore en présence de carburant. Le volume du noyau chaud est en revanche réduit lorsque la pression ou la distance inter-électrode augmente. Des mesures simultanées de dépôt d’énergie par les deux techniques montrent un très bon accord entre la SBOS et la calorimétrie.Enfin, les deux méthodologies sont adaptées à l'étude de différents systèmes d'allumage. Ainsi, deux allumeurs ont été testés, un allumeur à décharge radiofréquence multi filamentaires innovant et un allumeur capacitif typique d’un moteur d’hélicoptère. Pour ce dernier, le dépôt d'énergie est mesuré pour différentes pressions initiales et mélanges gazeux afin de simuler les conditions réelles du moteur. La technique SBOS est utilisée pour estimer la température dans le noyau chaud aux premiers instants de la décharge (jusqu'à 3500 K) et le dépôt d’énergie thermique qui est en bon accord avec la mesure calorimétrique. Le rendement ce cette décharge spécifique semble peu dépendant des conditions thermodynamiques du mélange et est estimé à 14%.

Spark ignition systems are generally defined by the electrical energy input used to operate them. However, the physical characteristic that directly affects the ignition process is the energy deposit supplied to the fluid by the system. This work focuses on the development of two proposed methodologies for the characterization of the thermal energy deposit of electrical discharges produced by different ignition systems, and their implementation through a parametric study. An experimental device is developed for this purpose, using simultaneously a non-optical and an optical technique. The experimental techniques are first validated in a reference configuration: a pair of pin-to-pin electrodes with an automobile-type inductive ignition system.Constant volume calorimetry measures a thermal energy deposit supplied to the fluid via the pressure rise inside a reduced volume chamber. The ratio between thermal energy deposit and electrical energy supply represents the efficiency of energy transfer, which is between 15 and 40% for the reference configuration. Energy deposit and efficiency are higher as pressure and inter-electrode gap increase. Tests with an inert propane-nitrogen mixture show that energy deposit is greater in the presence of fuel than in clean air.SBOS (Speckle-based Background-Oriented Schlieren) is an optical method that quantifies changes in the optical index generated by the phenomenon under study. This technique has been adapted to the spatial and temporal specificity of an electrical discharge. Image-processing procedure has been developed to obtain density, temperature and local energy fields at the time of image acquisition. The volume of the hot kernel produced by the plasma and the energy deposit are deduced from it. These properties are measured at different times during the evolution of the kernel. Temperatures in the hot kernel reach higher values (up to 1400 K) at longer inter-electrode gaps and higher pressures, or in the presence of gaseous fuel. Energy deposit measurements performed by SBOS are in good agreement with calorimetry results.Finally, both methodologies are adapted to the study of different ignition systems. Two igniters were tested: an innovative multi-filament radiofrequency discharge igniter and a capacitive helicopter engine igniter. For the latter, the energy deposit is measured for different initial pressures and gas mixtures to simulate the actual engine conditions. The electrical energy input is 2 J, the electrical energy measured at the electrodes is 625 mJ and finally the thermal energy deposited in the gas is about 85 mJ. The estimated efficiency of 14% is not very pressure dependent. The SBOS technique is used to estimate the temperature in the hot kernel at the first moments of discharge (around 3700 K) and the thermal energy deposit, which is in good agreement with the calorimetric measurement.