Étude théorique d'un plasma dans la phase de transition allumage/combustion d'un moteur à gaz

Theoretical study of a plasma in the ignition/combustion transition phase of gas engine

• Auteur / Autrice : Andriniaina Harry Solo
• Direction : Pierre Freton, Jean-Jacques Gonzalez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des PLASMAS
• Date : Soutenance le 08/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Équilibre thermodynamique

Moteurs thermiques

Mots clés libres

Allumage par étincelle

Composition chimique

Pression constante

Densité de masse constante

Air-CH4

Plasma en extinction

Spark ignition

Chemical composition

Constant pressure

Constant mass density

Air-CH4

Extinction of plasma

Résumé

L'allumage par étincelle des moteurs thermiques, conduisant au déclenchement de la combustion, se caractérise par différents processus qui se produisent durant de courts instants (maximum quelques millisecondes). La connaissance et la maitrise des phénomènes physico-chimiques qui interviennent sont des éléments clés permettant d'optimiser le système. Au moyen d'outils numériques, une description et une compréhension plus fine des mécanismes régissant le domaine peuvent être réalisées. Cette thèse s'inscrit dans cette problématique, et a pour objectif l'analyse de l'évolution des espèces d'un mélange stœchiométrique d'air-méthane en fonction des caractéristiques du milieu. Les travaux réalisés s'articulent suivant trois étapes principales. La première étape concerne l'implémentation d'un outil de calcul de compositions chimiques et des propriétés thermodynamiques. La méthode est basée sur la loi d'action de masse et la résolution conduite sous l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local, pour une pression ou une densité de masse donnée. Les différents termes correctifs (de Debye-Hückel et du viriel) permettant d'assimiler le gaz au fluide réel sont intégrés dans le système d'équations. La seconde étape est dédiée au développement d'un modèle 0D qui repose sur la résolution de l'équation de conservation des espèces. Cette approche permet l'étude de l'existence d'éventuels déséquilibres chimiques suivant différentes vitesses de refroidissement du milieu. La dernière étape est consacrée à la mise en place d'un modèle transitoire de couplage hydro-cinétique en 1D appliqué à l'allumage. Il est développé sur la base d'une géométrie cylindrique axisymétrique. Les résultats montrent des évolutions typiques de la température et de la propagation radiale de la pression. En fonction de ces paramètres, le comportement des espèces par rapport à l'équilibre est analysé et discuté. Les déséquilibres constatés, par le modèle de couplage pour certains choix de paramètres initiaux, ouvrent la voie au calcul direct des propriétés de base du plasma pour les travaux à venir.

The spark ignition in thermal engines, leading to the initiation of combustion, is characterized by several processes that happen during short moments (maximum few milliseconds). The knowledge and control of the physicochemical phenomena involved are the key elements allowing to optimize the system. Using numerical tools, more detailed description and understanding of the mechanisms governing the medium can be investigated. This thesis is related to this topic and is focused to analyze the chemical species evolution of air-methane stoichiometric mixture according to the medium characteristics. The work is based on three main stages. The first step concerns the development of tool which allows to calculate the chemical composition and thermodynamic properties. The method is based on mass action law and the resolution under the local thermodynamic equilibrium hypothesis for a given pressure or mass density. Corrective terms (of Debye-Hückel and virial) enabling to assimilate the gas to real fluid are integrated into the system of equations. The second step is devoted to the development of the 0D model which is based on the resolution of the species conservation equation. This approach allows to study the possible presence of departures from equilibrium according to various cooling rates of the medium. The last step concerns the implementation of a 1D transient hydro-kinetic coupling model applied to ignition. It is developed on an axisymmetric cylindrical geometry. The results show typical evolutions of temperature and radial propagations of pressure. Depending on these parameters, the species behavior is analyzed and discussed in comparison to equilibrium. The departures from equilibrium of the densities highlighted for some initial choices of parameters by the coupling model open the perspectives to the direct calculation of the plasma properties.