Etude expérimentale de la stabilisation des flammes dans des brûleurs poreux : application des diagnostics optiques dans des géométries imprimées en 3D

Experimental study of flame stabilization in porous burners : development of optical diagnostics in 3D printed geometries

• Auteur / Autrice : Enrique Flores-Montoya
• Direction : Laurent Selle, Thierry Schuller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 02/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Ronan Vicquelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Selle, Thierry Schuller, Ronan Vicquelin, Pradip Xavier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andreas Dreizler, Terese Løvås

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène (combustible)

Mots clés libres

Combustion en milieu poreux

Hydrogène

Fabrication additive

Brûleurs optiquement accessibles

Adaptation de la topologie

Diagnostics optiques

Porous Media Combustion

Hydrogen

Additive Manufacturing

Optically Accessible Burners

Topology Tailoring

Optical diagnostics

Résumé

La transition vers une économie neutre en carbone est confrontée à deux défis majeurs : le stockage de l'excès d'énergie provenant des énergies renouvelables et la décarbonation des processus de combustion dans les secteurs difficiles à électrifier. La stratégie Power to Gas (P2G) propose de résoudre ces problèmes en substituant partiellement l'hydrogène dans le réseau actuel de gaz naturel. Cependant, cela nécessite le développement de brûleurs flexibles capables de s'adapter à des niveaux variables d'hydrogène dans le réseau. Cela est compliqué à cause des différences entre les propriétés de la flamme d’hydrogène et celles des combustibles hydrocarbonés. Les brûleurs poreux (PMBs) sont considérés comme une technologie prometteuse en raison de leurs propriétés uniques. Les PMBs utilisent la recirculation de chaleur pour stabiliser les flammes à l'intérieur de matrices poreuses inertes, incrémentant le taux de consommation de la flamme et atteignant des températures locales superadiabatiques. Cela permet des densités de puissance plus élevées et l’extension des limites d'inflammabilité, ce qui se traduit par des dispositifs compacts et une faible émission de NOx avec des efficacités radiatives élevées.Le mécanisme fondamental de fonctionnement des brûleurs poreux à l'échelle macroscopique, la recirculation de la chaleur, est bien compris. Cependant, il existe encore une connaissance limitée sur certains phénomènes à l'échelle des pores et de leur influence sur le comportement du système global. En raison de la non-linéarité de la combustion et du transfert de chaleur, la stabilisation de la flamme et les performances du brûleur dépendent fortement des détails à l'échelle des pores. Les modèles de bas ordre actuels n'incluent pas la modélisation des interactions flamme-paroi et des effets de diffusion préférentielle, ce qui entraîne une faible précision. Les diagnostics non intrusifs avancés pourraient être utilisés pour étudier la structure locale de la flamme et guider l'amélioration des modèles de bas ordre. Cependant, les mesures expérimentales dans les PMBs sont entravées par le manque d'accès optique à l'intérieur de la matrice poreuse. Malgré les efforts récents, l'application de diagnostics optiques et non intrusifs dans les PMBs est encore très rare. Cette thèse présente une étude expérimentale sur la combustion en milieu poreux et est consacrée au développement de diagnostics optiques. Des PMBs optiquement accessibles sont produits en combinant des topologies définies par ordinateur avec des techniques de fabrication additive. La méthodologie actuelle offre un accès optique étendu dans une configuration de brûleur 3D sans perturber la structure de la matrice. L'accès optique est utilisé pour appliquer une série de diagnostics optiques, y compris la chimiluminescence CH*, l'imagerie de diffusion de Mie et la micro-PIV. Nos résultats montrent les limites des VAMs actuels et de leurs méthodes de validation. La mise en œuvre de diagnostics novateurs a également révélé différentes tendances de stabilisation dans les flammes enrichies en H2, soulignant l'effet des mécanismes d'ancrage local sur les limites de fonctionnement du brûleur. Enfin, l'accès optique est exploité pour effectuer des diagnostics laser et étudier la structure de la flamme à l'échelle des pores. Nos résultats révèlent différents modes de stabilisation et mettent en évidence l'impact de l’écoulement interstitiel sur les performances du brûleur. Cette thèse ouvre de nouvelles voies pour l'application de diagnostics non intrusifs et plaide pour un développement supplémentaire des techniques expérimentales avancées dans les brûleurs poreux.

Porous Media Burners (PMBs) are a combustion technology based on heat recirculation where a flame is stabilized within the cavities of an inert porous matrix. In PMBs, heat is transferred upstream from the burned to the unburned gas through the solid matrix yielding a preheating of the reactants.This increases their burning rate allowing for more compact combustion devices and the operation beyond conventional flammability limits. As a result, the stabilization of flames at ultra-lean equivalence ratios is possible, with the subsequent reduction of the flame temperature and NOx emissions. In these burners, a substantial fraction of the power is radiated by the hot solid phase, with radiated power fractions ranging between 20-30 %. This, together with their elevated efficiency and low pollutant emissions, has motivated their commercial use in various infrared heating applications.In the past years, PMBs have received renewed interest owing to their potential as fuel flexible burners. Their ability to stabilize flames over a wide range of burning rates makes them promising candidates to handle the uneven flame properties of hydrogen and hydrocarbon fuels.The mechanism of heat recirculation in PMBs is well understood. However, there is still limited knowledge about many pore-scale phenomena that have a critical impact on the macroscopic behavior of the system and its performance.Advanced nonintrusive diagnostics could be used to study local flame stabilization mechanisms and improve current models. However, experimental measurements in PMBs are hindered by the lack of optical access to the interior of the porous matrix.This dissertation presents an experimental study on porous media combustion and is devoted to the application of optical diagnostics. Optically accessible PMBs are produced by combining computer-defined topologies with additive manufacturing techniques. This methodology provides an extensive optical access in a 3D burner configuration without altering the matrix structure. Optical access is leveraged to apply CH* chemiluminescence, Mie-scattering imaging and micro PIV. Topology tailoring is exploited to analyze the influence of the geometrical parameters of the porous matrix. Direct flame visualization enables the tracking of the reaction region as a function of the operating conditions, which can be used for model validation. The present results bring to light several limitations of current low order models and highlight the influence of the pore size on flame stabilization. Flame-front tracking is also used to investigate the effect of H2-enrichment on the behavior of the flame. This technique reveals different stabilization trends in H2-enriched flames that are not well retrieved by current models. Mie-scattering permits the quantification of the re-equilibration distance and the analysis of the flame shape. Micro PIV measurements show the influence of the topology on the interstitial flow and on the contribution of hydrodynamic effects to flame stabilization.This PhD seeks to open new paths for the application of non-intrusive diagnostics in PMBs and to improve the current understanding of flame stabilization mechanisms.