Effets thermochimiques des décharges plasma nanosecondes sur la stabilisation de flammes pauvres

Thermochemical Effects of Nanosecond Plasma Discharges on Lean Flame Stabilization

• Auteur / Autrice : Victorien Blanchard
• Direction : Christophe Laux, Sébastien Ducruix, Philippe Scouflaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Cessou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Timothy Ombrello, Sander Nijdam, Carmen Guerra-Garcia, Epaminondas Mastorakos, Nicolas Noiray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Timothy Ombrello, Sander Nijdam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie des plasmas

Diagnostics de plasma

Flamme

Combustion

Plasmas hors d'équilibre

Chambres de combustion

Plasmas (gaz ionisés)

Avions -- Moteurs

Turbines à gaz

Mots clés libres

Combustion assistée par plasma

Décharges nanosecondes

Émissions de NOx

Flamme pauvre

Turbine à gaz

Moteur aéronautique

Plasma-assisted combustion

Nanosecond discharges

NOx emissions

Lean flame

Gas turbine

Aircraft engine

Résumé

La combustion de carburants fossiles, neutres ou sans carbone produit des oxides d’azote (NOₓ) néfastes pour la santé humaine et les écosystèmes. Les flammes prémélangées pauvres ont une température plus basse, limitant ainsi la formation de NO mais elles sont instables et sujettes à extinction. La combustion assistée par plasma avec des décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) a surtout été étudiée dans des brûleurs académiques de faible puissance dont les émissions de NOₓ sont toujours plus élevées avec plasma que sans. Dans cette thèse, la limite d’extinction pauvre est étendue avec des décharges NRP pour des flammes jusqu’à 100 kW et une puissance plasma de 0.06% celle de la flamme. L’étude est menée dans une chambre de combustion équipée d’un injecteur aéronautique alimenté par du méthane et de l’air à pression atmosphérique. Dans 75% des cas étudiés, les flammes les plus pauvres stables avec plasma émettent moins de NOₓ que les flammes les plus pauvres stables sans plasma. Ensuite, dans un brûleur à accroche-flamme, le développement de la flamme et la température sont caractérisés lors du régime transitoire et stationnaire résultants de l’application de décharges NRP. Ces mesures sont utilisées pour valider une simulation aux grandes échelles réalisée avec le modèle phénoménologique de Castela et al. qui décrit les effets des décharges NRP avec un faible coût CPU. Des calculs dans des flammes méthane-air montrent que la température du gaz doit rester inférieure à 2500 K pour limiter la formation de NO durant la décharge. Finalement, pour étendre le domaine de validité du modèle de Castela et al., un modèle analytique est développé qui fonctionne dans les mélanges où N₂ est majoritaire et il prédit l’évolution de la température ainsi que de N₂, O₂, H₂O, CO₂, O, CO, H₂, N, H, OH, NO, NH₂, CH₃, NH₃ et CH₄. Le modèle est versatile avec un faible coût CPU.

Combustion of fossil, carbon-neutral, or carbon-free fuels emits nitrogen oxides (NOₓ) posing significant risks to human health and ecosystems. Lean-premixed flames have a lower flame temperature allowing mitigation of NO formation, but these flames are unstable and prone to extinction. Plasma- assisted combustion studies with Nanosecond Repet- itively Pulsed (NRP) discharges have mostly been conducted in low power academic burners with NOₓ emissions consistently higher with plasma than without. In this thesis, the lean flammability limit is extended with NRP discharges up to 100 kW and the plasma-to- flame power ratio is reduced down to 0.06% in a gas turbine model combustor equipped with an aeronautical injector operating with methane-air at atmospheric pressure. In most cases investigated, the leanest flames stable with plasma emit less NOₓ than the leanest flames stable without. Then, we characterize the flame development and the gas temperature in a bluff-body burner during the transient and steady application of NRP discharges. These results are used to validate a Large Eddy Simulation using the low-CPU cost phenomenological model of Castela et al. describing NRP discharges effects. Finally, to extend the validity of the model of Castela et al., a new model is developed. It works in any N₂-dominated mixtures and predicts the evolution of heat release and N₂, O₂, H₂O, CO₂, O, CO, H₂, N, H, OH, NO, NH₂, CH₃, NH₃, and CH₄. It is versatile and computationally affordable thanks to its analytical formulation. Applying the model, we show that the gas temperature in the discharge region must remain under 2500 K to prevent NO formation by the discharge.