Modélisation et simulations détaillées de décharges nanosecondes répétitives pulsées pour la combustion assistée par plasma

Detailed modeling and simulations of Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges for Plasma-Assisted Combustion

• Auteur / Autrice : Nicolas Barleon
• Direction : Bénédicte Cuenot, Olivier Vermorel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Fiorina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Anne Bourdon, Fabien Tholin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Deanna Lacoste, Arnaud Bultel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges électriques

Moteurs -- Combustion

Avions -- Propulsion par réaction

Mots clés libres

Plasma

Combustion

Décharges NRP

Simulation

Chimie

Méthane

Plasma

Combustion

NRP discharges

Simulation

Chemistry

Methane

Résumé

Dans le domaine de la propulsion aéronautique, une tendance actuelle forte est la combustion en régime pauvre, voire très pauvre, afin de limiter les émissions de polluants. Il s’agit cependant d’un défi technologique de taille, puisque la combustion pauvre est peu stable et ne garantit pas les capacités d’allumage et de rallumage en altitude nécessaires à la certification.Une solution émergente, applicable à une large gamme de configurations, pour permettre l’allumage et la stabilisation de la combustion dans des régimes pauvres, est l’utilisation de décharges électriques de faible énergie près de la flamme. Parmi les différents types de décharge existants, les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) sont particulièrement intéressantes. Cependant, malgré une efficacité démontrée, les mécanismes fondamentaux de l’interaction entre la combustion et le plasma généré par la décharge ne sont pas bien compris. De plus, il n'existe pas d’outil numérique opérationnel pour évaluer la performance des décharges NRP dans des configurations pratiques. L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR PASTEC, est double. Il s'agit d'abord de développer un code de plasmas froids capable de modéliser la phase plasma. Cette tâche a vu naitre le code parallèle et non-structuré AVIP qui partage la structure de données du code de combustion AVBP développé au CERFACS. Cette modélisation permettra ensuite d’étudier en détail les mécanismes d’interactions entre la le plasma et une flamme dans des configurations pointe-pointe. Pour cela, une chimie détaillée pour la combustion assistée par plasma a été développée et validée avec des données expérimentales dans des configurations de laboratoire. Cette chimie étant trop couteuse pour un calcul multi-dimensionnel, un travail de réduction a été réalisé et un modèle phénoménologique a été proposé. Le mécanisme cinétique réduit est finalement utilisé dans des simulations multi-dimensionnelles couplant les codes AVBP et AVIP afin d'étudier les effets des décharges NRP dans l'air et pour l'allumage d'un mélange methane-air.

In the field of aeronautical propulsion, the current trend is to us lean or even very lean combustion regimes, in order to limit pollutant emissions. However, this is a major technological challenge, since lean combustion is prone to instabilities and does not guarantee the ignition and re-ignition capabilities at altitude required for certification.An emerging solution, applicable to a wide range of configurations, to enable ignition and combustion stabilization in lean regimes is the use of low-energy electrical discharges near the flame. Among the different types of discharges available, the Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are particularly interesting. However, despite their proven effectiveness, the fundamental mechanisms of the interaction between the combustion and the plasma generated by the discharge are not well understood. Moreover, there is no operational numerical tool to evaluate the performance of NRP discharges in practical configurations. The objective of this thesis is twofold. The first one is to develop a low-temperature plasma code able to model the plasma phase. This task is done in the parallel and unstructured code AVIP which shares the data structure of the combustion code AVBP developed at CERFACS. In a second step, this modeling will allow to study in detail the mechanisms of interactions between the plasma and a flame in point-to-point configurations. For this purpose, a detailed chemistry for plasma assisted combustion has been first developed and validated against experimental data in laboratory configurations. The detailed chemistry being too expensive for multi-dimensional simulations, a reduction step has been performed and a phenomenological model has been proposed. The reduced kinetic mechanism is finally used in a multi-dimensional calculation, by coupling AVBP and AVIP codes, to study the effects of NRP discharges in air and for the ignition of a methane-air mixture.