Etude et analyse de la régénération des filtres à suie à l'aide de la méthode Lattice Boltzmann

Study and analysis οf Sοοt Filter Regeneratiοn by using the Lattice Bοltzmann Μethοd

• Auteur / Autrice : Claudius Stockinger
• Direction : Mostafa Safdari Shadloo, Abdellah Hadjadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 14/06/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mostafa Safdari Shadloo, Abdellah Hadjadj, Ashwin Chinnayya, Kamel Hooman, Ulrich Nieken, Jonas Latt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ashwin Chinnayya, Kamel Hooman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Transfert de chaleur

Combustion

Suie

Milieux hétérogènes (physique)

Réactions chimiques

Méthode de Boltzmann sur réseau

Mots clés libres

LBM (Méthode de Lattice Boltzmann)

Réaction hétérogène

Combustion de suie

Transfert de chaleur conjugué

LBM (Lattice Boltzmann Method)

Heterogeneous reaction

Soot combustion

Conjugate heat transfer

Résumé

La maîtrise des émissions de noir de carbone est une tâche importante dans de nombreux domaines d'application, le secteur des transports étant l'un des domaines les plus importants. Les moteurs diesel, encore largement utilisés dans le monde entier, sont l'une des principales sources d'émissions anthropiques de noir de carbone. Afin de contrer l'effet néfaste du noir de carbone sur la santé humaine, le traitement des gaz d'échappement est au centre de la recherche depuis de nombreuses décennies. Les filtres à suie de pointe utilisent une structure en nid d'abeille en céramique, agissant comme des filtres à flux mur. Ces filtres nécessitent une régénération périodique une fois qu'une contre-pression de filtre critique est atteinte. La régénération est effectuée soit sous forme de régénération active à des températures élevées (>600 °C), soit en continu, sous forme de régénération passive à des températures à partir de 300 °C. La température nécessaire des gaz d'échappement pour la régénération active entraîne une pénalité en carburant, rendant le contrôle précis du processus de régénération impératif. Des travaux antérieurs ont suggéré que la morphologie mésoscopique de la suie et son évolution pendant la combustion de la suie influencent la réactivité, affectant ainsi le processus de régénération. Par conséquent, le contrôle du système de régénération nécessite une connaissance précise des phénomènes physiques et chimiques en jeu, nécessitant des simulations du processus de régénération. Dans cette thèse, un cadre de simulation pour modéliser l'écoulement de gaz, composé des différentes espèces réactives, en tenant compte des interactions solide-gaz, est créé. De plus, le transfert de chaleur conjugué, les réactions hétérogènes et la libération de chaleur de réaction à l'interface entre les phases solide et gazeuse sont traités. À cette fin, la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), en raison de sa nature mésoscopique, est choisie comme un excellent outil pour modéliser la combustion hétérogène à l'échelle des pores. Dans cette thèse, un cadre LBM est créé et des méthodes appropriées pour modéliser la combustion de la suie sont choisies et largement validées. Une procédure d'utilisation des données de microscopie électronique à balayage par faisceau ionique focalisé (FIB-SEM) de véritables échantillons de suie pour la simulation de combustion est mise en œuvre. De plus, les régimes de combustion sont analysés en fonction de la variation du nombre de Péclet, du nombre de Damköhler et de la fraction molaire d'oxygène dans le flux gazeux d'entrée. Des simulations avec des géométries de suie réalistes sont réalisées et les résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux. Il est constaté que l'évolution de la surface réactive spécifique, telle que reçue des simulations LBM, n'est pas comparable aux résultats expérimentaux. L'analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) et les spectres Raman de la suie avant et après les expériences de combustion ont révélé que la combustion affecte les particules primaires à l'échelle nanométrique. Pour cette raison, un modèle séparé pour décrire les particules primaires hétérogènes et leur combustion a été créé. Ensuite, les premières simulations avec couplage d'échelle ont été menées, en reliant les simulations LBM mésoscopiques avec la conception des particules primaires à l'échelle nanométrique. Il est démontré qu'une augmentation plus réaliste de la surface spécifique peut être obtenue dans les simulations en couplant le modèle LBM mésoscopique avec un modèle de particules primaires à l'échelle nanométrique.

The control of the emission of carbon black is an important task in many fields of application, with the transport sector being one of the most important domains. Diesel engines, still being extensively used worldwide, are one of the main contributors to the anthropogenic emission of carbon black. In order to counteract the detrimental effect of carbon black on human health, exhaust gas treatment has been the focal point of research for many decades.State of the art soot filters use a ceramic honey-comb structure, acting as wall flow filters. These filters require periodic regeneration once a critical filter back-pressure is reached. Regeneration is conduced either as active regeneration at elevated temperatures (>600 °C) or continuously, as passive regeneration at temperatures starting from 300 °C. The necessary exhaust gas temperature of active regeneration results in a fuel penalty, making the precise control of the regeneration process imperative. Previous works suggested that the mesoscopic morphology of soot and its evolution during soot combustion influence the reactivity, thus affecting the regeneration process. Hence, the control of the regeneration system requires precise knowledge of the physical and chemical phenomena at hand, necessitating simulations of the regeneration process.In this thesis, a simulation framework to model gas flow, consisting of the different reactive species, taking into account solid-gas interactions, is created. Furthermore, conjugate heat transfer, heterogeneous reactions and the release of reaction heat at the interface between the solid and gas phases is treated. For this purpose, the lattice Boltzmann method (LBM), due to its mesoscopic nature, is chosen as an excellent tool to model the heterogeneous combustion on the pore scale. Within this thesis, a LBM framework is created and appropriate methods to model soot combustion are chosen and extensively validated. A procedure to use focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) data of realistic soot samples for the combustion simulation is implemented. Furthermore, the combustion regimes are analysed based on variation of Péclet number, Damköhler number, and oxygen mass fraction in the inlet gas stream. Simulations with realistic soot geometries are performed and the results are compared with experimental results. It is found that the evolution of the specific reactive surface, as received from LBM simulations, is not comparable to the experimental results. Transmission electron microscopy (TEM) analysis and Raman spectra of the soot before and after combustion experiments revealed that combustion affects the primary particles on the nano-scale. For this reason, a separate model to describe the heterogeneous primary particles and their combustion was created. Subsequently, first simulations with scale-coupling were conducted, by connecting the mesoscopic LBM simulations with the primary particle design on the nano-scale. It is shown that a more realistic increase in specific surface could be achieved in simulations by coupling the mesoscopic LBM model with a nano-scale primary particle model.