Étude expérimentale de l'interaction goutte/flamme : propagation d'une flamme dans un aérosol en microgravité et passage d’une goutte à travers un front de flamme

Experimental study of droplet/flame interaction : propagation of a flame in an aerosol in microgravity and passage of a droplet through a flame

• Auteur / Autrice : Guillaume Renoux
• Direction : Christian Chauveau, Fabien Halter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Energétique
• Date : Soutenance le 15/09/2020
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Haldenwang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Chauveau, Fabien Halter, Pierre Haldenwang, Cyril Crua, Vincent Robin, Vincent Moureau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cyril Crua, Vincent Robin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité réduite

Combustion

Gouttes

Flamme

Énergie

Mots clés libres

Combustion

Aerosol

Diphasique

Microgravité

Goutte

Évaporation

Combustion

Aerosol

Two-Phase

Microgravity

Droplet

Vaporization

Résumé

La combustion de carburants liquides est l'une des principales méthodes de conversion d'énergie utilisée dans une large gamme d'applications, allant des moteurs à combustion interne aux moteurs fusées, jusqu’aux turbomachines et les fours industriels. La combustion des aérosols est un phénomène très complexe mettant en jeu de nombreux processus tels que l’atomisation, la vaporisation, la dynamique des fluides ou la cinétique chimique.Ces travaux de thèse se placent ainsi dans le cadre de l’investigation expérimentale et fondamentale de l’interaction entre flammes et gouttes, dans un but à la fois phénoménologique et de compréhension des processus physiques. Le centre d’intérêt a été dans un premier temps la caractérisation de la propagation d’une flamme laminaire sphérique dans un aérosol de carburant mono disperse, et plus spécifiquement la stabilité et la morphologie de ces flammes, pour lesquelles ont été menées des études quantitatives. Ces expériences ont été réalisées au cours de plusieurs campagnes de vols paraboliques à bord de l'avion ZERO-G du CNES afin de se soustraire aux problèmes de sédimentation causés par la pesanteur. Dans un second temps, l’étude s’est dirigée vers une configuration expérimentale plus fondamentale, celle d’une goutte isolée incidente à un front de flamme plat et stationnaire. Ces nouvelles expériences ont permis d’observer à la fois la déformation de la flamme lors du passage de la goutte ainsi que l’évaporation de celle-ci dans le front de flamme et dans les gaz brûlés.

Combustion of liquid fuels is one of the main energy conversion methods and is used in a wide range of applications, from internal combustion engines to rocket engines, to turbomachines and industrial furnaces. The combustion of aerosols is a very complex phenomenon involving many processes such as atomization, vaporization, fluid dynamics or chemical kinetics.This thesis is thus placed within the framework of the experimental and fundamental investigation of the interaction between flames and droplets, with a goal that is both phenomenological and for the understanding of physical processes. The focus was initially on the characterization of the propagation of a spherical laminar flame in a mono-disperse fuel aerosol, and more specifically the stability and morphology of these flames, for which quantitative studies were conducted. These experiments were carried out during several parabolic flight campaigns aboard the CNES ZERO-G aircraft in order to avoid sedimentation problems caused by gravity.In a second step, the study moved towards a more fundamental experimental configuration, that of an isolated droplet incident on a flat, stationary flame front. These new experiments made it possible to observe both the deformation of the flame as the drop passed through and the evaporation of the droplet in the flame front and in the burnt gases.