Allumage d'une chambre de combustion par retournement temporel micro-onde

Ignition of a combustion chamber coupling microwaves and time reversal

• Auteur / Autrice : Beatrice Fragge
• Direction : Jérôme Sokoloff, Olivier Rouzaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 17/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Sokoloff, Olivier Rouzaud, Marc Bellenoue, Ana Lacoste, Éric Freysz, Olivier Pascal, Mikaël Orain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Bellenoue, Ana Lacoste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Chambres de combustion

Retournement temporel (acoustique)

Imagerie microonde

Mots clés libres

Allumage

Micro-Onde

Retournement temporel

Chambre de combustion aéronautique

Ignition

Microwave

Time reversal

Aeronautical combustion chamber

Résumé

Cette thèse présente une nouvelle approche d’allumage des foyers aérobies basée sur le retournement temporel microonde. Dans la première partie on montre les bases de la théorie de combustion diphasique, le système d’allumage classique qu’est la bougie à arc ainsi que l’histoire et le fonctionnement du retournement temporel spécifiquement dans le cadre de cette étude. Le remplacement de la bougie à arc est un sujet largement étudié et on montre l’état de l’art des différentes approches. La première étape de notre étude est l’étude de la capacité d’un plasma crée par des micro-ondes focalisées pour allumer un carburant liquide. Cette étape est décrite par la partie II de ce manuscrit, qui traite le premier banc d’essai conçu pendant les travaux de thèse. Cette étude se fait dans une cavité résonante avec des initiateurs et un train de gouttes de carburant. On explique l’intérêt et la démarche adoptée pour la conception de ce banc d’essai avant de montrer les résultats d’allumage des gouttes d’éthanol et de kérosène. Après la démonstration de l’allumage de kérosène on passe au retournement temporel (RT) dans la troisième partie. Pour l’étude du claquage d’un plasma par RT dans l’air à pression ambiante, on a conçu un deuxième banc d’essai constitué d’une cavité multimodale de grande taille. Cette dernière partie présente la conception de la cavité ainsi que les premiers essais RT en basse puissance. Après l’optimisation du RT, on passe aux essais en puissance. On utilise à nouveau des initiateurs (SRR) pour augmenter le champ électrique. Les résultats montrent un claquage réussi avec un signal sinusoïdal et un signal RT. On finit cette partie avec les tests d’allumage d’un brouillard de kérosène avec une bougie à arc et les plasmas claqués par signal sinusoïdal et RT dans les gaps des SRRs. Pendant ces travaux de thèse, deux bancs d’essai ont été conçus à partir de zéro. On a démontré sur le premier banc la capacité d’un plasma par micro-ondes focalisées d’allumer un carburant liquide. Ensuite, on a mené des tests RT sur le deuxième banc. On a claqué des plasmas dans l’air à pression ambiante dans les deux cavités avec des initiateurs et un signal sinusoïdal. Les travaux se finissent par l’allumage réussi d’un brouillard de kérosène par RT.

During this thesis, we studied a new approach for an ignition device for air breathing engines based on a microwave system and time reversal. In the first part we describe the path from the spark plug to time reversal. It describes the basics of two-phase combustion as well as the history and the mechanics of time reversal and the interest in its use for this study. A replacement for the spark plug is intensely studied and we show the state of the art of the different approaches. The first step in our study was to show the capacity of a plasma, created by focused microwaves to ignite a liquid fuel. This step is described in part two of this manuscript, which treats the first experimental set-up, designed during this thesis. This study is done in a resonant cavity with initiators and a droplet stream. We explain the need of the approach for this set-up before presenting the results of ignition tests of ethanol and kerosene droplets. After the demonstration of kerosene ignition in the first part, we continue with time reversal (TR) in the third part of this manuscript. For the study of plasma ignition by TR in air at atmospheric pressure, we designed a second set-up, this time a multimodal cavity. This last part presents the design process of the cavity and the first TR tests with low power levels. After optimization of the TR we switch to tests on high power levels. We use again initiators, here SRRs, to increase the electric field density. The results show a successful ignition of a plasma with a sinusoidal signal and a TR signal. We finish this part with ignition tests of a kerosene spray by a conventional spark plug and the plasma created in the gap of the SRRs with the sinusoidal signal and the TR signal. During this thesis, two experimental set-ups have been designed and built from scratch. We showed on the first set-up the capability of a plasma, created by focused microwaves to ignite liquid fuel. Afterwards we showed TR test on the second set-up. We created a plasma in air at ambient pressure in the two cavities with initiators and a sinusoidal signal. The work finishes with the successful ignition of a kerosene spray via TR.