Modélisation numérique de la formation et de l'évolution de la suie dans les flammes laminaires avec cinétique détaillée

Numerical modelling of soot formation and evolution in laminar flames with detailed kinetics

• Auteur / Autrice : Agnes Livia Bodor
• Direction : Nasser Darabiha, Alberto Cuoci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 04/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Politecnico di Milano
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrea D'Anna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nasser Darabiha, Alberto Cuoci, Andrea D'Anna, Silvana De Iuliis, Benedetta Giulia Franzelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea D'Anna, Silvana De Iuliis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Flamme

Suie

Mots clés libres

Suie

Flammes laminaires

Cinétique détaillée

Particules primaires

Soot

Laminar flames

Detailed kinetics

Primary particles

Résumé

Les suies de combustion sont principalement connues pour leur caractère nocif, dans le cas des feux de forêt, de fumées de cheminées ou d'émissions polluantes d'un tuyau d'échappement. Cependant, le noir de carbone, un produit industriel de combustion d'hydrocarbures largement utilisé dans notre vie quotidienne. La surface d'une particule de suies ou de noir de carbon joue un rôle important tant au niveau de son utilisation que de son effet nocif. Il est donc important de connaître la masse, le volume ainsi que la morphologie des suies. En particulier, la surface des particules est un paramètre important pour prédire leur utilisation ainsi que leur effet nocif. Les suies sont généralement des agrégats présentant une structure fractale constituée d'éléments de forme sphérique, appelés particules primaires. Il est possible de connaître la surface des agrégats à partir de la distribution en taille de particules primaires (PPSD-Primary particules size distribution). Compte tenu de l'intérêt grandissant pour la surface des particules et leurs évolutions, il est aujourd’hui nécessaire d'étendre les modèles numériques pour la prévision de la PPSD. De plus, comme la taille des la particules primaires influence les processus chimiques et les processus de collision, la prise en compte de ce paramètre peut améliorer les prévisions des modèles. Les flammes multidimensionnelles laminaires, comme les flammes de diffusion, sont moins complexes que les flammes rencontrées dans les systèmes de combustion industriels. Cependant, les processus de formation de suies sont analogues dans les deux cas, ce qui rend l'étude de ces flammes intéressante. Afin d'obtenir une description détaillée des processus chimiques ayant lieu dans ces flammes tout en maintenant le coût de calcul à un niveau abordable, l'utilisation de modèles sectionnels discrets chimiques (CDSchemical discret sectional methods) est un choix approprié. Le développement de modèles CDS est au coeur de cette thèse. D'abord, une stratégie numérique pour déterminer la taille des particules primaires est présentée dans le contexte des modéles CDS. Elle repose sur la résolution d'une équation de transport pour la densité en nombre de particules primaires pour chaque section d'agrégats considérée. Pour valider la taille des particules primaires déterminée numériquement, les résultats doivent être comparés avec des données expérimentales obtenues via la technique d'Incandescence Induite par Laser résolue temporellement (TiRe-LII). Cette comparaison, dite inverse, est affectée par les incertitudes expérimentales et les hypothèses sous-jacentes au post-traitement du signal TiRe-LII pour obtenir la PSD. Pour améliorer la stratégie de validation, une nouvelle approche, dite directe, est proposée pour la validation de la PPSD à partir des données obtenues par TiRe-LII. Elle est basée sur la reconstruction numérique de l'évolution temporelle du signal d'incandescence à partir des résultats numériques et de sa comparaison avec le signal mesuré. L'efficacité de l'approche proposée est démontrée a priori en évaluant l'erreur potentiellement évitée par la nouvelle stratégie. Le modèle proposé pour le suivi des particules primaires est ensuite validé en utilisant à la fois les approches ’directe’ et ’inverse’ sur les flammes cibles issues de l'International Sooting FlameWorkshop (ISF): une flamme pré-mélangée éthylèneair et une flamme de diffusion coflow avec deux dilutions différentes. Le caractère général du modèle est discuté en effectuant une étude de sensibilité des résultats aux paramètres du modèle même. Enfin, le modèle est utilisé pour comprendre l'effet de la dilution du combustible sur la taille des particules primaires dans les flammes de diffusion en examinant les corrélations possibles entre phase gazeuse et phase solide ainsi que l'évolution temporelle des particules le long de leur trajectoires.

An image appearing when the phrase soot is heard is the smoke emitted by an exhaust pipe. The imperfect combustion of hydrocarbon fuels is a source of this harmful pollutant. The industrially controlled combustion of hydrocarbons can provide the carbon black, an industrial product widely used in our everyday life. For both its utilization and its harming effect, the surface of these combustion generated particles plays an important role, therefore, it is of interest to possess information on the particle morphology beside its mass or volume. Soot particles were found, at various conditions, to have a fractal-like structure built up from spherical shape building blocks, socalled primary particles. This increased interest in the particle surface and its evolution gives the motivation to extend numerical models to provide related information, i.e. particle surface or primary particle size. Furthermore, as the primary particle size influences the chemical and collisional processes, accounting for this parameter can improve the model predictions. The requirements for numerical models are various depending on the purpose of the simulation. Multidimensional laminar flames, like a laminar coflow diffusion flame, are less complex than flames of industrial combustion systems. However, the soot formation processes are analogous in the two cases, therefore, the investigation of these flames are of interest. In order to obtain a detailed description of the chemical processes, while keeping the computational cost in these flames at an affordable level, using chemical discrete sectional models is a suitable choice. As in their current version, these models do not provide information on the primary particle size their development in this direction is of interest. Guided by the above motivation, a numerical strategy to determine the primary particle size is presented in the context of the chemical sectional models. The proposed strategy is based on solving the transport equation of the primary particle number density for each considered aggregate section. In order to validate numerical primary particle size, the comparison to experimental data is required. Due to its numerous advantages, the Time-Resolved Laser-Induced Incandescence (TiRe-LII) technique is a nowadays popular experimental method. However, the comparison of the numerically and the experimentally obtained primary particle size may be charged with uncertainties introduced by the additional measurements or assumptions of the numerous parameters required to derive primary particle size from the detected signal. In order to improve the validation strategy, an additional approach for primary particle size distribution validation with TiRe-LII is proposed. This is based on the reconstruction of the temporal evolution of incandescence from the numerical results and its comparison with the measured signal. The effectiveness of this ’forward’ method is demonstrated a priori by quantifying the errors potentially avoided by the new strategy. The validity of the proposed primary particle tracking model is tested by both the traditional ’inverse’ and the ’forward’ method on target flames of the International Sooting Flame (ISF) Workshop. In particular a laminar premixed ethylene flame is considered first. Then, two laminar coflow ethylene flames with different dilutions are put under the scope. The sensitivity to the model parameters, such as accounting for the surface rounding and the choice of smallest aggregating particle size, is explored in both the premixed flame and in the coflow flame with highest ethylene content. To understand the effect of the fuel stream dilution on the primary particle size in the coflow flame, first, the flame-flow interaction and the effect of the dilution on the flame structure is investigated. [...]