Etude des flammes turbulentes non-prémélangées stabilisées par un swirler : effets de la recirculation des gaz de combustion et de l'enrichissement à l'oxygène

Investigation of swirl-stabilized non-premixed turbulent flames : effects of exhaust gas recirculation and oxygen enrichment

• Auteur / Autrice : Hajar Zaidaoui
• Direction : Toufik Boushaki, Jean-Charles Sautet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 10/07/2020
• 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 : Ashwin Chinnayya
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Toufik Boushaki, Jean-Charles Sautet, Ashwin Chinnayya, Laure Pillier, Gilles Cabot, Christian Chauveau, Jacques Dugué, Pablo Escot Bocanegra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Pillier, Gilles Cabot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Emissions des véhicules

Vélocimétrie par images de particules

Automobiles -- Moteurs -- Échappement

Oxygène

Chimiluminescence

Flamme

Gaz de combustion -- Désulfuration

Technique de la production

Énergie

Mots clés libres

Combustion non-prémélangée

Flamme swirlée

Recirculation des gaz de combustion

Enrichissement en oxygène

Diagnostics laser

Stéréo-PIV

Non-premixed combustion

Swirling flame

Exhaust gas recirculation

Oxygen enrichment

Laser diagnostics

Stereo-PIV

Résumé

La recirculation des gaz d’échappement (EGR « Exhaust Gaz Recirculation ») est devenue une norme pour certains systèmes de combustion. L’objectif de cette étude est d’évaluer les effets de la recirculation des gaz de combustion et l’enrichissement à l’oxygène sur une flamme turbulente swirlée non prémélangée CH₄/air. Cette investigation se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes (NOₓ et CO) ainsi que la dynamique de l’écoulement. La technique (EGR) consiste à rediriger une partie des gaz de combustion dans le four ou le brûleur afin de modifier les conditions dans la zone de combustion en abaissant la température de la flamme dans le but de réduire la formation des NOₓ. En revanche, la stabilité et la dynamique de la flamme peuvent être affectées de manière préjudiciable dans certaines conditions. L’enrichissement à l’oxygène permet alors d’obtenir un compromis entre la réduction des émissions polluantes, d’une part, et la stabilité de la flamme, d’autre part. L’étude dynamique permet d’apporter des éléments de réponses sur les évolutions des émissions polluantes et sur le comportement et la stabilité de la flamme. Différentes techniques et diagnostics optiques sont mis en œuvre. La stabilité et la structure de la flamme est traitée par la technique de la chimiluminescence OH*, les émissions polluantes sont mesurées à travers des analyseurs multigaz et l’étude dynamique est effectuée par deux s techniques différentes : LDV-2D et stéréo-PIV. Plusieurs paramètres opératoires sont mis en jeu : le nombre de swirl (0,8-1,4), la richesse globale à l’injection (0,8-1), le taux d’enrichissement à l’oxygène (21-30 % vol. dans l’air) et le taux de dilution en CO₂ et/ou H₂O (0-20 % vol. dans l’oxydant).

Exhaust gas recirculation (EGR) has become a standard for some combustion systems. The objective of this study is to assess the effects of recirculation of combustion gases and oxygen enrichment on a turbulent swirled non-premixed CH₄ / air flame. This investigation focuses on the flame stability, the pollutant emissions (NOₓ and CO) as well as the dynamics of the flow. The technique (EGR) consists in redirecting part of the combustion gases in the furnace or the burner in order to modify the conditions in the combustion zone by lowering flame temperature in order to reduce NOₓ formation. However, the stability and the dynamics of flame can be negatively affected under certain conditions. Oxygen enrichment then makes it possible to obtain a compromise between the reduction of pollutant emissions, on the one hand, and the flame stability, on the other hand. The dynamic study provides answers on the evolution of pollutant emissions and on the shape and stability of the flame. Different techniques and optical diagnostics are implemented. The stability and structure of the flame is treated by OH* chemiluminescence technique, pollutant emissions are measured through multigas analyzers and the dynamic study is performed by two different techniques: LDV-2D and stereo-PIV. Several operating parameters are involved: the swirl number (0.8-1.4), the overall equivalence ratio (0.8-1), the oxygen enrichment rate (21-30 % vol in air) and the dilution rate of CO₂ and / or H₂O (0-20% vol in the oxidant).