Topologies de l’accélération de flammes d’H2-O2-N2 dans des canaux étroits : de l’allumage jusqu’à la détonation

Non communiqué

• Auteur / Autrice : Yves Ballossier
• Direction : Ashwin Chinnayya, Florent Virot, Josue Melguizo-Gavilanes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Luc Bauwens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhaïl Kuznetsov, Mario Sanchez-Sanz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Gabriel Ciccarelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Flamme

Prévention

Explosions

Essais (technologie)

Chambres de combustion

Mots clés libres

Accélération de flammes

Canal étroit

Initiation de la détonation

Post-traitement d'images

Flame acceleration

Narrow channel

Detonation onset

Image postprocessing

Résumé

L’évolution vers une économie basée sur l’hydrogène nécessite une compréhension pratique et fondamentale des risques liés à sa production, son stockage et sa manipulation. En cas de fuite, un allumage accidentel d’un mélange réactif peut entrainer une transition de la déflagration à la détonation (TDD) dans des milieux confinés (p. ex.,dans des piles à combustibles, compartiments de batteries ou dans une centrale nucléaire). La TDD est un problème fondamental de combustion riche en physique. Il est important de la comprendre pour développer des corrélations et des outils de simulation pouvant être appliqués à la propulsion et à la prévention des explosions. L’objectif deces travaux de thèse est de développer un canal entièrement accessible optiquement afin d’observer la topologie de la flamme lors du processus de transition de la déflagration à la détonation dans des canaux étroits et sans obstacle (sections carrées d’environ 1 cm2 pour 1 m de long, fermés du côté de l’allumage, et ouverts à la sortie). La mise en place d’un système optique permettant de réaliser une strioscopie simultanée depuis deux directions orthogonales révèle pour la première fois la structure tri-dimensionelle de la flamme, pendant son accélération, de l’allumage jusqu’à la transition vers la détonation, pour des mélanges hydrogène-oxygène dilués à l’azote (c.-à-d.2H2 +O2 +ηN2 ). La topologie de la flamme est symétrique pendant les premières phases de propagation, avant de devenir fortement asymétrique pour tous les mélanges testés. En fonction de la dilution d’azote l’évolution de la flamme est perturbée différemment par les instabilités de combustion et les interactions entre la flamme, les parois et l’écoulement. Les mélanges les plus dilués (η = 2, 2,5 et 3,76) finissent par former une flamme en forme d’ogive symétrique plissée,alors que dans les cas moins dilués (η = 0 et 1), la flamme reste fortement asymétrique jusqu’à l’initiation de la détonation. Avec le mélange η = 2, la distance flamme-chocs reste plus faible. De plus, la flamme se propage à une vitesse plus importante que dans les cas η = 0 et 1, respectivement 1,5 à 1,78 contre 1,2 à 1,5 fois la vitesse du son dans les gaz brûlés, juste avant l’initiation de la détonation.À partir des données supplémentaires collectées via les deux directions de visualisation, nous avons pu prouver l’implication des parois, et principalement des coins dans l’initiation de la détonation dans un canal. Aucune initiation de la détonation au centre du canal n’a été rapportée dans cette configuration sur un ensemble de ∼90 essais. La grande quantité de données collectées permet d’estimer la fonction de répartition de la distance jusqu’à l’initiation de la détonation, x DDT , afin de tenir compte de l’aspect stochastique du phénomène. Ces données permettent aussi de comparer x DDT à des prédictions issues de modèles semi-empiriques et d’établir des corrélations entre x DDT et le taux d’expansion ou la taille de cellules.Finalement, grâce à une méthode simple, une première tentative de reconstruction de surface de la flamme a été réalisée. Le degré de plissement de la flamme, ou le ratio de surface de la flamme instantanée sur la surface de la flamme plane, est estimé à ∼10 juste avant l’initiation de la détonation. Ce degré de plissement de la flamme est comparé aux estimations issues d’un modèle théorique développé par Deshaies et Joulins. Un modèle scalaire capable de reproduire qualitativement la dynamique de la TDD a été étudié. Ce modèle met en avant le rôle des instabilités émergeant de la zone de réaction ainsi que des perturbations de pression dans l’initiation de la détonation.

The materialization of a hydrogen economy calls for practical and fundamental understanding of the risks associated with its production, storage and handling. Fuel leaks and accidental ignition of reactive mixtures can lead to deflagration-to-detonation-transition (DDT) in confined spaces (e.g., within fuel cells, battery compartments or nuclear power plants). DDT is an outstanding, physics-rich fundamental problem in combustion ; it is important to understand DDT to develop engineering correlations and simulation tools that can be applied to propulsion, and the prevention/mitigation of explosions. To that end, the objective of this thesis is to develop a fully optically accessible channel in order to observe the flame topology during DDT in smooth narrow channels (1-m long ; 1 cm 2cross-section closed at the ignition end and open at the other end). The implementation of an optical system allowing simultaneous schlieren visualisation from two mutually orthogonal directions reveals, for the first time, the three-dimensional topologies of an accelerating flame from ignition to detonation onset for nitrogen-diluted hydrogen-oxygen mixtures (i.e., 2H2 +O2 +ηN2 ). Assumptions of symmetries were challenged/verified.The flame topology is symmetric during the early stages of propagation, before becoming strongly asymmetric for all mixtures tested. Depending on the nitrogen dilution, combustion instabilities and flame- wall/-flow interactions disturb the flame differently. Mixtures with η = 2, 2.5 and 3.76 result in corrugated symmetrical finger flames during the late acceleration stages, whereas mixtures with η = 0 and 1 exhibit flames that remain strongly asymmetric until detonation onset. For η = 2, the preheat zone is smaller and the flame front speed larger before transition than for η = 0 and 1 ; 1.5-1.78 and 1.2-1.5 the speed of sound in burnt gases, respectively.The additional information collected permitted to contruct maps of the spatial likelihood of detonation onset on the channel’s cross section and unequivocally show the involvement of walls, and corners in the process. Clear dilution effects were observed likely due to the different flow topologies before transition. Notably, over an experimental campaign of ∼ 90 tests, detonation onset never took place at the channel’s center line. The considerable amount ofdata collected also allowed us to estimate the empirical distribution function associated to the distance to detonation onset, x DDT , thereby accounting for the stochasticity of the phenomenon. Comparisons to semi-empirical predictive models for x DDT and correlations between x DDT and expansion ratio or detonation cell size were attempted.Finally, using a very simple method, a first attempt to estimate the flame surface area was carried out. The degree of flame folding, or the ratio of the instataneous flame surface area to that of a flat flame, was estimated to be ∼10 just before detonation initiation comparable to the predictions in the theory of Deshaies and Joulin. A scalar model that qualitatively captures the DDT dynamics was also studied which transparently shows the role played by instabilities arising in the reaction zone and subsequent pressure perturbations on detonation onset.