Optimisation de la métrologie optique laser pour la combustion d'hydrogène dans des foyers aéronautiques à hautes pression et température

Optimization of laser-based optical metrology for hydrogen combustion in high-pressure and high-temperature aeronautical combustors

• Auteur / Autrice : Yannick Touzeau
• Direction : Ajmal Khan Mohamed
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DPHY Physique, Instrumentation, Environnement, Espace
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Combustion hydrogène

Metrologie optique

Chambre de combustion aéronautique

Condition de combustion extrème

Hydrogen combustion

Optical metrology

Aeronautic combustors

Harsh combustion conditions

Résumé

L'industrie aéronautique déploie des efforts constants pour développer la prochaine génération de moteurs d'avion qui s'appuient sur des solutions de propulsion abordables ayant un impact réduit sur l'environnement. Une solution durable à long terme envisage le remplacement des carburants Jet par l'hydrogène, malgré les coûts élevés nécessaires à la nouvelle conception des chambres de combustion des avions et des infrastructures aéroportuaires. Cependant, la combustion de l'hydrogène soulève encore des problèmes techniques, environnementaux et de sûreté. Sa mise en œuvre prend donc du temps et nécessite de nouvelles idées pour son application pratique. Dans ce contexte, nous proposons une bourse de trois ans pour étudier la combustion de l'hydrogène dans des chambres de combustion d'avion représentatives à l'aide d'outils de métrologie optique avancés. Dans ce projet de thèse de doctorat, l'objectif est d'étudier la combustion de l'hydrogène dans différentes conditions opératoires (OC) similaires au cycle d'atterrissage et de décollage (LTO) en termes de débit massique d'air, de température et de pression sur un banc d'essai semi-industriel. De plus, cette plateforme de recherche permet l'implémentation de différents diagnostics optiques utilisés pour étudier le comportement de la combustion (dynamique de la flamme), la formation de polluants (NO), les phénomènes instationnaires, le flash-back et le rallumage de la flamme dans des conditions de combustion pauvre. La connaissance des paramètres de combustion est importante pour améliorer la conception de la chambre de combustion en ce qui concerne l'efficacité du carburant, établir le domaine de stabilité de la flamme dans des conditions de fonctionnement pauvre (production réduite de NO) et déterminer les phénomènes instationnaires possibles dans de telles chambres de combustion. Pour mener à bien cette tâche, une grande partie du travail de doctorat consiste à adapter et à développer des diagnostics optiques qui donnent accès à des paramètres expérimentaux tels que OH (un traceur du front de flamme et de la zone de réaction), NO, l'émission spontanée de la flamme et les vecteurs de vitesse du champ d'écoulement. Les diagnostics optiques couvrent un vaste domaine d'applications basées sur les phénomènes de fluorescence induite par laser de OH et NO, le suivi du déplacement des particules (vélocimétrie par images de particules), l'analyse de l'émission de flammes sur un domaine spectral à large bande et la capture de phénomènes rapides à l'aide de caméras à grande vitesse. Une partie importante de cette recherche est consacrée à l'étude de la faisabilité de la mise en œuvre de tels diagnostics optiques dans des conditions de combustion difficiles, en particulier à l'adaptation de la technique PLIF-NO, à l'identification des sources d'erreur qui a un impact sur la quantification des signaux observés et à la transposition des expériences de l'échelle du laboratoire à la plate-forme d'essai pour l'étude des conditions ciblés. Les résultats obtenus seront comparés aux données obtenues à partir des différents modèles théoriques utilisés pour ces conditions opératoires et fourniront une prédiction pour des géométries ou des configurations de chambres de combustion plus complexes.

The aviation industry is continuously putting effort into developing the next generation of aircraft engines that rely upon affordable propulsion solutions with a diminished environmental impact. A long-term sustainable solution envisages the replacement of Jet fuels with hydrogen, despite the high costs necessary for the new design of aircraft combustors and airport infrastructure. However, hydrogen combustion still raises technical, environmental and safety issues. So, its implementation takes time and necessitates new ideas for its practical applicability. In this context, we propose a three years fellowship to experimentally study hydrogen combustion in representative aircraft combustors with advanced optical metrology tools. In this Ph.D. thesis project it is aimed to study hydrogen combustion on various operating conditions (OC) similar to the Landing and Take off (LTO) cycle in terms of air mass flow rate, temperature and pressure on a semi-industrial test rig. Furthermore, this research platform allows the implementation of various optical diagnostics used to study the combustion behavior (flame dynamics), pollutants formation (NO), unsteady phenomena, flash-back and flame relight in lean combustion conditions. The knowledge of combustion parameters is important to improve the combustor design concerning fuel efficiency, establish the domain of flame stability near lean operating conditions (reduced NO production) and determine possible unsteady phenomena in such combustors. In completing this task, a large part of the Ph.D. work involves adapting and developing optical diagnostics that give access to experimental parameters such as OH (a tracer of the flame front and reaction zone), NO, spontaneous emission of the flame and flow field velocity vectors. Optical diagnostics cover an extensive domain of applications based on the phenomena of laser-induced fluorescence of OH and NO, tracking of particle displacement (particle image velocimetry), analysis of flame emission on a broadband spectral domain and capture of fast phenomena with high-speed cameras. A significant part of this research is dedicated to studying the feasibility of implementing such optical diagnostics in harsh combustion conditions, developing the PLIF-NO technique, identifying the error sources that play on the quantification of the observed signals and translating the laboratory scale experiments on the test rig platform for the study of targeted OC. Obtained results will be compared with data obtained from the different theoretical models used to simulate experimental OC and give a prediction for more complex combustors geometries or configurations.