Etude et analyse de la dynamique de flammes prémélangées d'un carburant zéro carbone - ammoniac

Study and analysis of premixed flame dynamics of zero carbon fuel - ammonia

• Auteur / Autrice : Alka Karan
• Direction : Fabien Halter, Christian Chauveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• 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 : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Mounaïm-Rousselle, Thibault Guiberti, Julien Sotton, Guillaume Dayma, Olivier Mathieu, Fabien Thiesset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibault Guiberti, Julien Sotton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Innovation

Gaz (carburant)

Vitesse de diffusion

Flamme

Ressources énergétiques

Combustion

Ammoniac

Énergie

Mots clés libres

Ammoniac

Vitesse de la flamme laminaire

Épaisseur de la flamme

Chimiluminescence

Espèces excitées

Interaction flamme-acoustique

Étirement local

Ammonia

Laminar flame speed

Flame thickness

Chemiluminescence

Excited species

Flame-acoustic interaction

Local stretch

Résumé

Dans le cadre de la recherche de carburants alternatifs pour atténuer la pollution, le réchauffement climatique, l'épuisement des ressources, etc., l'ammoniac est apparu comme l'un des principaux candidats parmi les autres carburants verts. L'objectif de cette thèse est de fournir des données expérimentales et des analyses qui soient utiles à la fois à l'industrie et à la communauté scientifique. Ce travail a été divisé en 3 parties pour atteindre les objectifs fixés. La première partie est dédiée à fournir des vitesses de flamme laminaire, qui est un paramètre de dimensionnement important pour les chambres de combustion. Cette section met également en évidence la chimie impliquée et les différents facteurs qui l'influencent, expliquant certains comportements atypiques comme l'indépendance vis-à-vis de la pression. La deuxième partie est une tentative de compréhension de la structure interne des flammes d'ammoniac. Il est important de comprendre la réponse des différentes espèces aux changements de paramètres. Cela permet de mieux paramétrer la combustion en fonction des besoins. L'épaisseur de la flamme d'ammoniac a été calculé. Cette épaisseur influe sur le calcul de la vitesse de flamme. De plus, la courbure impacte les différentes espèces excitées, ce qui modifie la position du taux de libération de chaleur. La dernière partie de cette thèse est une étude approfondie de la deuxième partie. La concentration de certaines des espèces excitées, qui est utile pour s'adapter à tout schéma cinétique, a été donnée. Il est connu que les flammes turbulentes permettent d'améliorer certaines propriétés souhaitables. Cependant, les flammes turbulentes sont très complexes et ne sont pas faciles à analyser. La première étape est d'étudier une flamme perturbée. Ainsi, des interactions flamme-acoustique ont été réalisées pour comprendre l'influence de la courbure sur les flammes d'ammoniac. Cela conclut ce travail, ouvrant la voie à de nouvelles directions dans le monde de la combustion de l'ammoniac.

In the quest for alternative fuels to mitigate crises like pollution, global warming, depletion of resources, etc, ammonia has emerged as one of the top contenders amongst other green fuels. The goal of this thesis is to provide experimental data and analyses that are useful both to the industry and the scientific community. This work has been divided into 3 parts to meet the set objectives. The first part is dedicated to providing laminar flame speeds, which is an important sizing parameter, at conditions that are encountered in combustors. This section also highlights the chemistry involved and various factors influencing it; explaining some unique behaviour like pressure independency. The second part is an attempt to understand the inner structure of ammonia flames. It is important to understand the response of different species to variations introduced into the parameters which may help enhance various desirable properties. The thickness of ammonia flame and its impact while calculating flame speeds have been pointed out. The effect of curvature on different excited species and the position of the heat release rate has been determined. The final part of this thesis is an extension of the second part. The concentration of some of the excited species is useful in accommodating it in any kinetic scheme and has been given here. It is known that turbulent flames help to improve certain desirable properties. However, turbulent flames are very complex and not easy to analyse. The most simple step would be to study a perturbed flame and so, tests on flame-acoustic interactions have been performed to understand the influence of curvature for ammonia flames. This study is concluded with insights paving paths to new directions in the world of ammonia combustion.