Développement de diagnostics lasers femtosecondes pour l’étude de la combustion kérosène/air à haute pression (conditions aéronautiques)

Development of femtosecond laser diagnostic for the study of high pressure kerosene/air combustion

• Auteur / Autrice : Sylvain Legros
• Direction : Frédéric Grisch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et propulsion
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• 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 : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Attal-Trétout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grisch, Pierre Joubert, Benoît Barviau, Waruna Kulatilaka, Joakim Bood, Stéphan Zurbach
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Attal-Trétout, Pierre Joubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre -- Réduction

Oxydes d'azote

Moteurs -- Injection du carburant

Avions

Effets des hautes pressions

Combustion

Hydrocarbures

Fluorescence induite par laser

Spectres de rotation-vibration

Spectroscopie femtoseconde

Spectroscopie Raman

Thermométrie

Mots clés libres

DRASC CPP femtoseconde rovibrationnelle sur N₂

Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente

DRASC CPP femtoseconde rotationnelle

LIF femtoseconde

NOx

Rovibrational CPP fs CARS

Pure rotational CPP fs CARS

Fs-LIF

Laser induced fluorescence

NOx

Résumé

L’augmentation du trafic aérien s’accompagne d’un durcissement des réglementations visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre et de polluants. Les objectifs Flight Path visent une réduction des émissions de CO₂ de 75 % et de 90% du NO à l’horizon 2050. Pour atteindre ces objectifs, le motoriste aéronautique SAFRAN développe de nouvelles architectures de chambres de combustion « Low-NOx » utilisant des nouveaux systèmes d’injection de carburant. A l’issue des étapes de modélisation et de la réalisation des prototypes, leur caractérisation expérimentale dans des conditions complexes d’écoulements réactifs nécessitent des diagnostics de mesure innovants permettant de capturer leurs modes de fonctionnement et les dynamiques d’évolution. Pour répondre à ces besoins, les objectifs de la thèse étaient de développer plusieurs techniques de mesures haute-cadence utilisant des impulsions laser ultracourtes afin de mesurer les grandeurs scalaires telles que la température des gaz et la concentration d’espèces chimiques au sein de ces nouvelles chambres de combustion. Pour mesurer la température dans les combustions diphasiques kérosène/air à haute-pression, la Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente (DRASC) à sonde à dérive de fréquence (CPP fs CARS en anglais) fonctionnant à une cadence de répétition de 1 kHz et destinée à sonder la distribution de population des niveaux d’énergie rovibrationnels de la molécule d’azote a été développée. Les nombreux verrous inhérents à l’utilisation du diagnostic DRASC au sein du banc de combustion HERON, ont été étudiés par étapes successives au sein de plusieurs environnements dans des conditions pour lesquelles les propriétés du milieu, la température et la pression étaient contrôlés. Cette complexité graduelle dans la mise en œuvre de ce diagnostic laser a permis de le faire évoluer de manière à mesurer avec succès les évolutions de la température au sein de flammes kérosène/air à pression élevée, ce qui constitue, à notre connaissance, une première mondiale. Afin d’augmenter la précision des mesures à température modérée, le développement du diagnostic de DRASC CPP rotationnelle a également été entrepris et les spectres mesurés ont fait l’objet de premières analyses. Enfin, en parallèle au développement du diagnostic de thermométrie DRASC, le diagnostic laser de LIF femtoseconde à 1 kHz a été développé pour mesurer la concentration de NO dans les flammes. Ces premiers travaux ont permis de démontrer la possibilité de doser NO dans des flammes de laboratoire avec des approches allant de la mesure ponctuelle jusqu’à des mesures 2D.

The increase in air traffic comes along with tighter regulations aimed at reducing emissions of greenhouse gas and pollutant. Flight Path objectives are to reduce CO₂ emissions by 75% and 90% of NO before 2050. To reach these objectives, the aircraft engine manufacturer SAFRAN is developing new architectures of “Low-NOx” combustion chambers integrating advanced fuel injection systems. After the different phases of modelling and prototypes production, the experimental characterization of these systems in complex reactive flow condition requires innovative optical measurement diagnostics able to capture their operating modes and dynamics of evolution. To address these needs, thesis objectives were to develop several high-speed laser measurement diagnostics using ultrashort laser pulses in order to measure scalar quantities such as the temperature of the gases and the concentration of the chemical species in high-pressure conditions. To measure temperature in diphasic high-pressure kerosene/air combustion, the femtosecond Chirped Probe Pulse Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CPP CARS), operating at a repetition rate of 1 kHz and designed to probe the rovibrational energetic level population distribution of the N₂ molecule have been developed. Inherent obstacles in the use of CARS diagnostic to probe the temperature inside the HERON combustion test bench were studied in successive steps in several environments for which medium properties, temperature and pressure were well controlled. This gradual complexity in the implementation of this laser diagnostic has enabled it to evolve to successfully measure the temperature evolution inside high-pressure kerosene/air flames, for the first time ever to our knowledge. To increase the measurement accuracy at moderate temperature, the development of the pure rotational CPP CARS has also been undertaken and first analyzes were done on measured spectra. In parallel to the CARS thermometry diagnostic development, the 1 kHz femtosecond LIF laser diagnostic was finally developed to measure the NO concentration in flames. This early work demonstrated the possibility to probe NO concentration in laboratory scale flame, from point measurement to 2D measurements.