Modification de la combustion en présence d'espèces excitées

par Ali Bourig

Thèse de doctorat en Conversion de l'énergie

Sous la direction de Jean-Pierre Martin et de Dominique Thévenin.

Soutenue le 16-07-2009

à Orléans en cotutelle avec l'Université de Magdebourg , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Christophe Laux.

Le jury était composé de Jean-Pierre Martin, Dominique Thévenin, Christophe Laux, Uwe Riedel.

Les rapporteurs étaient Christophe Laux, Uwe Riedel.


  • Résumé

    Aujourd’hui, il semble que la méthode la plus prometteuse pour intensifier la combustion repose sur l’excitation hors-équilibre du mélange gazeux, qui permet ainsi de modifier la cinétique chimique. Pour obtenir une excitation efficace des degrés de liberté électronique et vibrationnel des molécules, l’utilisation d’une alimentation pulsée associée à une énergie des électrons adéquate est proposée. Ce travail de thèse porte sur l’application de générateur d’impulsion électrique haute fréquence capable de délivrer des pulses de 20 kilovolts pendant 20 nanosecondes ayant des temps de montée de l’ordre de 5 nanosecondes en combustion. Cette étude s’articule autour de deux grands axes de recherche. Le premier est la génération, à pression atmosphérique et à pression réduite, d’espèces excitées (oxygène électroniquement excité O2(a1?g), O2(b1Sg+) et oxygène atomique excité) ainsi que leur caractérisation par spectroscopie d’émission. Le second axe de recherche concerne leur utilisation pour l’intensification de la combustion. La première partie expérimentale s’est focalisée sur la génération d’oxygène électroniquement excité par plasma décharge à barrière diélectrique et décharge croisée dans des mélanges O2/He et O2/Ar. La décharge croisée est une cellule à barrière diélectrique pulsée qui est croisée avec une composante continue (DC). Dans ce cas, l’étape d’ionisation est réalisée par la DBD pulsée alors que la composante continue supporte le courant électrique entre chaque pulse. Le gaz produit par cette installation est étudié de manière exhaustive par spectroscopie d’émission. Ce travail, indispensable pour caractériser l’installation et obtenir les conditions initiales nécessaires pour les calculs de flamme, repose sur différents spectromètres et caméras. La première des applications potentielles dans le domaine de la combustion concerne l’intensification de la combustion par activation de l’oxygène. La conception de prototypes de brûleurs hybrides, intégrant un réacteur plasma nous a permis de valider cette technique d’intensification de la combustion et de la comparer à une flamme classique sans plasma. Finalement, la modélisation des paramètres fondamentaux d’une flamme de prémélange et de diffusion est entreprise par le logiciel CHEMKIN. L’effet promoteur de l’oxygène excité sur une flamme d’hydrogène a pu être modélisé.

  • Titre traduit

    Combustion modificating using excited species


  • Résumé

    Nowadays it seems that the most promising method for accelerating combustion is the non-equilibrium excitation of the gas mixture components, which allows one to affect the chemical reaction kinetics. To enable more efficient excitation of the electronic and vibrational degrees of freedom, one should use short-duration (nanosecond) pulses with a high reduced electric field. The present work focuses on the application of high frequency high voltage pulse discharges capable of delivering an electric pulse of 20 kV during 20 ns with controlled voltage rise time of 5 ns and at a frequency up to 25 kHz in combustion. This study articulates around two major research axis; that of the generation of excited species and particularly the feasibility to produce excited oxygen species in its singlet electronic states O2(a1?g) and O2(b1Sg+) by a non-thermal electric discharge, at reduced pressure until atmospheric pressure and its characterization by emission spectroscopy. The second research axis concerns their use for the intensification of combustion. The experimental part of the study concerns investigation of singlet oxygen production in the application of a dielectric barrier discharge in O2/He and O2/Ar binary mixtures. The second discharge is a special crossed discharge plasma-chemical reactor that has been developed. This crossed discharge consists of a hybrid discharge in which short high voltage pulses produce ionization while a comparatively low electric field supports the electric current between ionizing pulses. The gas produced by this installation is intensively studied by emission spectroscopy. This work, indispensable to characterize the installation and to obtain initial conditions necessary for flame calculations, relies on different spectrometers and intensified camera. The first potential in the combustion field is to significantly improve combustion efficiency and reduce pollutant emissions using oxidizer “activation”. Conception and development of hybrid plasma burner prototypes, integrating crossed discharge plasma reactor allows us to validate this application by comparing with a classical flame without plasma activation. Finally, modelling of premixed flame fundamental parameters is undergone with CHEMKIN software. The promoting effect of excited oxygen on hydrogen flame has been characterized.


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