Étude expérimentale de la formation des NOx dans des flammes turbulentes hydrogène-air diluées avec de la vapeur d'eau

Experimental study of NOx formation in turbulent hydrogen air flames diluted with water vapor

• Auteur / Autrice : Darine Taleb
• Direction : Franck Richecoeur
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Inscription en doctorat le 03/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)

Mots clés

Mots clés libres

Combustion

NOx

Hydrogène

Vapeur d'eau

Combustion

NOx

Hydrogen

Water vapor

Résumé

La thèse consistera à développer un brûleur puis dans un premier temps à déterminer les cartes de stabilité des flammes de référence, notamment en présence d'injection de vapeur d'eau. Les flammes visées seront turbulentes et des mesures globales de formes de flammes par chimiluminescence seront entreprises. En parallèle, les gaz en sortie de la chambre de combustion seront prélevés et insérés dans une baie d'analyse pour en déterminer la composition. Cette première étape permettra de définir les configurations expérimentales à étudier plus précisément dans la suite des travaux. On cherchera à proprement caractériser des flammes très peu émettrices en NOx et des flammes, relativement proches en apparence, mais dont les émissions sont plus importantes. La seconde étape consiste à utiliser des diagnostics optiques afin de remonter aux couplages vitesses / position de flammes dans ces cas de références et les conséquences sur les NOx en sortie. Pour cela des techniques de vélocimétrie par images de particules (PIV) seront simultanément déployés avec des techniques de fluorescence induite par laser dans un plan (PLIF) sur la molécule OH. Afin de déterminer les éventuelles corrélations entre ces grandeurs et les températures aux parois, des méthodes de phosphorescence induite par laser seront aussi utilisées. Ces résultats fondamentaux permettront le développement de corrélation entre ces différentes grandeurs et les émission globales. La troisième étape de la thèse portera sur l'application d'une technique de PLIF sur la molécule NO. Cette technique sera utilisée conjointement à une technique PIV pour comprendre finement les zones de production et de transport des NOx dans des flammes turbulentes. Ces résultats fondamentaux permettront le développement de modèles bas-ordre de production et de transport de NOx dans des flammes hydrogène-air, en présence éventuelle de vapeur d'eau. Pour finir les travaux de thèse, et selon les avancées réalisées par les partenaires académiques du projet, une technique de PLIF sur NH ou sur O sera couplé à des mesures de vitesses par PIV et de PLIF sur la molécule OH. Les nouvelles espèces sondées étant considérées comme des précurseurs de NO, une meilleure compréhension des zones de production permettra d'affiner les modèles proposés précédemment.

The thesis will consist in developing a burner and then in determining the stability maps of the reference flames, in particular in the presence of water vapor injection. The targeted flames will be turbulent and global measurements of flame shapes by chemiluminescence will be undertaken. At the same time, the gases leaving the combustion chamber will be sampled and inserted into an analysis bay to determine their composition. This first step will allow to define the experimental configurations to be studied more precisely in the following work. We will try to characterize flames with very low NOx emissions and flames, relatively close in appearance, but with higher emissions. The second step is to use optical diagnostics to trace the velocity/position coupling of the flames in these reference cases and the consequences on the NOx output. For this purpose, particle image velocimetry (PIV) techniques will be simultaneously deployed with in-plane laser-induced fluorescence (PLIF) techniques on the OH molecule. In order to determine possible correlations between these quantities and wall temperatures, laser-induced phosphorescence methods will also be used. These fundamental results will allow the development of correlations between these different quantities and the global emission. The third step of the thesis will be the application of a PLIF technique on the NO molecule. This technique will be used in conjunction with a PIV technique to gain a detailed understanding of the NOx production and transport zones in turbulent flames. These fundamental results will allow the development of low-order models of NOx production and transport in hydrogen-air flames, in the possible presence of water vapor. To complete the thesis work, and depending on the progress made by the academic partners of the project, a PLIF technique on NH or O will be coupled to velocity measurements by PIV and PLIF on the OH molecule. The new species being considered as NO precursors, a better understanding of the production areas will allow to refine the models proposed previously.