Etude de l'influence de la dilution à la vapeur d'eau H2O d'une flamme CH4/air enrichi en dioxygène O2. Combustion Optimisée pour le Captage de CO2

Study of the influence of dilution by water steam of dioxygen enriched methane/air flames

• Auteur / Autrice : Juan Pablo Chica Cano
• Direction : Gilles Cabot, Stéphanie de Persis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 21/05/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Most
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Favre, Toufik Boushaki, Fabrice Foucher, Andrés Adolfo Amell Arrieta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Pillier, Julien Sotton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Turbines à gaz

Turbulence

Vitesse

Flamme

Combustion

Mots clés libres

Flammes de méthane enrichies en dioxygène

H2O/CO2 dilution

Vitesse de flamme laminaire

Flammes sphériques

Flammes swirlées

Oxygen enriched methane/air flames

H2O/CO2 dilution

Laminar burning velocity

Spherical flames

Swirl flames

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’analyse des effets de la recirculation des gaz de combustion, via l’étude de la dilution par le dioxyde de carbone et plus particulièrement de la vapeur d’eau sur des flammes méthane/air enrichi en dioxygène, dans le cas d’une combustion prémélangée pressurisée rencontrée dans les turbines à gaz. Des mesures de vitesses de flammes CH4/O2/H2O/N2 laminaires pressurisées ont été obtenues à l’aide d’une flamme sphérique se propageant librement dans une enceinte close. L’analyse des résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité du schéma cinétique GRIMech ?3.0 au travers des calculs numériques de flammes libres monodimensionnelles. Des calculs complémentaires ont permis l’établissement d’une base de données (vitesse de flamme laminaire, longueur de Markstein et nombre de Lewis, température adiabatique de combustion et épaisseur de flamme) en fonction des paramètres d’entrées de la combustion (température, pression, X(H2O), richesse et enrichissement en dioxygène. L’étude expérimentale complémentaire en régime turbulent des flammes diluées à l’H2O ou au CO2 a permis de mettre en avant l’effet de la vitesse laminaire de flamme sur les structures moyennes et la stabilité des flammes turbulentes. Elle a également permis d’analyser les paramètres (température adiabatique, X(H2O), X(CO2), X(N2), Vitesse de flamme laminaire) ayant un rôle important sur la production des polluants CO et NO.

This PhD thesis deals with the analysis of the effects of exhaust gas recirculation (EGR) through the study of the dilution by carbon dioxide and more particularly of the water steam on dioxygen enriched methane/air flames, in the case of a premixed pressurized combustion encountered in gas turbines. CH4/O2/H2O/N2 pressurized laminar burning velocity measurement were obtained using a spherical flame propagating freely in a closed chamber. The analysis of the experimental results made it possible to check the validity of the kinetic scheme GRIMech.3.0 through numerical calculations of one-dimensional free flames. Further calculations allowed the establishment of a database (laminar burning velocity, Markstein length and Lewis number, adiabatic combustion temperature and flame thickness) as a function of combustion input parameters (temperature, pressure, X(H2O), equivalence ratio and dioxygen enrichment). The additional experimental study under turbulent regime, the flames diluted with H2O and CO2 allowed to highlight the effect of the laminar burning velocity on the average structures and the stability of turbulent flames. It also allowed to analyze the parameters (adiabatic flame temperature, pressure, X(H2O), X(CO2), X(N2), laminar burning velocity) which have an important role in the production of CO pollutants and NO.