Etude des interactions entre gouttelette et flamme par des approches expérimentales et numériques

Investigation of droplet flame interactions through experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Deniz Kaya Eyice
• Direction : Christian Chauveau, Ahmet Yozgatligil, Fabien Halter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Énergétique
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Orta Doğu teknik üniversitesi (Ankara)
• 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 : Mustafa İlbaş
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustafa İlbaş, Metin Muradoglu, Vincent Moureau, Özgür Ugras Baran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Metin Muradoglu, Vincent Moureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Évaporation

Modèles mathématiques

Pulvérisation

Gouttes

Essais

Flamme

Énergie

Mots clés libres

Combustion diphasique

Interactions gouttelette/flamme

Instabilité de la flamme

Évaporation

Multiphase combustion

Droplet/flame interactions

Flame instabilities

Evaporation

Résumé

Les applications de combustion par pulvérisation impliquent des phénomènes très complexes tels que l'atomisation, la vaporisation des gouttelettes, le mélange, la turbulence, la cinétique chimique, ainsi que l'interaction de ces processus. Dans la combustion diphasique, l'un des processus de base est l'interaction d'une seule gouttelette avec une flammelette. Par conséquent, il est essentiel de comprendre la physique de l'évaporation des gouttelettes isolées et des effets sur le front de flamme pour étudier des flammes plus complexes. Le but de cette étude est d'étudier l'évaporation des gouttelettes, les caractéristiques de la flamme et les changements sur la morphologie de la flamme pour les flammes laminaires en présence de gouttelettes via des approches expérimentales et numériques. La partie expérimentale de l'étude est menée au CNRS ICARE, y compris des expériences de microgravité pour étudier les instabilités de flamme en présence de gouttelettes d'éthanol isolées pour une flamme éthanol/air à expansion sphérique à l'aide de la méthode Schlieren et des expériences au sol pour étudier les caractéristiques d'évaporation d'une gouttelette d'éthanol traversant une flamme stabilisée contre une plaque. Les modifications induites par le passage de la goutte dans la flamme sont détaillées à l'aide de différents diagnostics optiques tels que PIV, PTV, ILIDS et chimiluminescence. Dans la partie numérique de l'étude, le solveur YALES2 est utilisé pour simuler l'évaporation des gouttelettes dans différentes conditions ambiantes à des températures élevées via une approche Eulérienne-Lagrangienne. Dans ce cadre, l'évaporation des gouttelettes stationnaires est calculée aux compositions de gaz brûlés via le modèle de Spalding, ainsi que l'évaporation d'une gouttelette en mouvement à travers un champ de flamme de stagnation via le modèle d'Abramzon-Sirignano. Enfin, des simulations non réactives et réactives sont réalisées avec une géométrie de brûleur à stagnation réelle.

Spray combustion applications involve complex phenomena such as atomization, droplet vaporization, mixing, turbulence, chemical kinetics, and the interaction of these processes. In two-phase combustion, one of the fundamental processes is the interaction of a single droplet with a flamelet. Therefore, it is essential to understand the physics of isolated droplet evaporation and its effects on the flame front to study more complex flames.The aim of this study is to investigate droplet evaporation, flame characteristics, and changes in the flame morphology for laminar flames in the presence of droplets via experimental and numerical approaches. The experimental part of the study is conducted in CNRS ICARE, including microgravity experiments to study the flame instabilities of spherically expanding ethanol/air flame in the presence of isolated ethanol droplets using the Schlieren method. Additionally, ground experiments are performed to investigate the evaporation characteristics of an ethanol droplet evaporating through flat methane/air flame and the structural changes in propane/air flames due to the passage of an ethanol droplet using optical laser diagnostics including PIV, PTV, ILIDS, Chemiluminescence. In the numerical part of the study, the YALES2 solver is utilized to simulate droplet evaporation under different ambient conditions at elevated temperatures via the Eulerian-Lagrangian approach. In this scope, stationary droplet evaporation is computed at burnt gas compositions via the Spalding model, as well as the evaporation of a moving droplet through a stagnation flame field via the Abramzon-Sirignano model. Finally, nonreactive and reactive simulations are performed with stagnation burner geometry.