Development of diagnostics for the experimental studies of ignition in sprays

par Tapish Agarwal

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Nasser Darabiha.

Le président du jury était Fabrice Lemoine.

Le jury était composé de Nasser Darabiha, Bénédicte Cuenot, Bruno Renou, Thomas Lederlin, Laurent Zimmer.

Les rapporteurs étaient Bénédicte Cuenot, Bruno Renou.

  • Titre traduit

    Développement de diagnostics pour l'étude expérimentale d'allumage dans les sprays


  • Résumé

    Le besoin d’allumer avec un temps très court les moteurs aéronautiques a conduit à de nombreuses études. Cependant, le processus d’allumage n’est pas encore parfaitement compris. Beaucoup d’études expérimentales sont basées sur l’obtention de probabilité d’allumage en différents points et sous différentes conditions moyennes de l’écoulement mais peu se sont concentrées sur l’étude d’un évènement unique. La raison pour le peu de compréhension totale est la nature transiente de l’allumage, qui dépend de nombreux paramètres physiques, avant, pendant et après le dépôt de l’énergie. Le but de cette étude est de développer les outils nécessaires à la compréhension d’évènements uniques en mesurant simultanément plusieurs paramètres affectant le processus d’allumage. Une nouvelle technique de mesure; la spectroscopie en deux dimensions de plasma induit par laser (2D-LIPS) a été mise au point pour obtenir les gradients de concentration d’espèces et d’énergie dans un plasma induit par laser. Cette technique se base sur l’utilisation de deux caméras, chacune munies d’un filtre interférentiel centré sur une transition atomique. Cette technique permet d’obtenir la taille initiale du plasma contenant une concentration minimale en combustible, ce qui permet de justifier le succès/l’échec d’un évènement. Elle a d’abord été validée dans une couche de mélange air/oxygène afin d’en déterminer les incertitudes et la résolution spatiale. Elle a ensuite été appliquée à un système d’injection aéronautique. Le débit d’air, préchauffé à 200_C, a été fixé à 10 g/s et les gouttes de dodécane avaient un diamètre moyen de Sauter entre 30 et 40 _m. Cet injecteur présente une instabilité aérodynamique de type Precessing Vortex Core aux alentours de 550 Hz, mesurée par 2D-PIV sur les gouttes à 20 kHz . Les mesures simultanées de 2D-LIPS et et 2D-PIV à 20 kHz ont permis d’établir un scénario d’allumage. Une concentration minimum de dodécane ainsi qu’une taille minimum de plasma sont nécessaires mais non suffisants à un allumage réussi. La force du PVC semble aussi jouer un rôle dans le destin du noyau initial. L’étude propose d’établir des probabilités conditionnées d’allumage en utilisant les mesures de 2D-LIPS. Il est ainsi montré que des essais d’allumage menant à une probabilité non conditionnée de 33% peuvent mener, grâce à la 2D-LIPS, à une probabilité conditionnée de 88%.


  • Résumé

    The need to ignite within a very short time the aircraft engines led to many studies. However, the ignition process is not yet fully understood. Many experimental studies are based on obtaining ignition probability at different points and in different average flow conditions but few have focused on the study of a single ignition event. The reason for the lack of full understanding is transient nature of the the ignition process, which depends on many physical parameters, before, during and after the deposition of spark energy. The purpose of this study is to develop the tools necessary to understand unique events by simultaneously measuring multiple parameters that affect the ignition process. A new technique of measurement, two-dimensional laser-induced plasma spectroscopy (2D-LIPS) was developed for the spatially resolved concentration gradients of species and energy in a laser-induced plasma. This technique is based on the use of two cameras, each provided with an interference filter centered on a transition atomic emission. This technique provides the initial size of plasma containing the minimum fuel concentration, thereby justifying the success/failure of an event. It was first validated in a mixing layer of air/nitrogen mixture to determine and resolve the spatial uncertainty of the technique. It was then applied to an aviation fuel injection system. The flow of air, preheated to 200_C, was set at 10 g/s and drops of dodecane having a Sauter mean diameter between 30 and 40 _m were inserted. This injector has a aerodynamic instability type Precessing Vortex Core around 550 Hz, measured by 2D-PIV on the droplets at 20 kHz. Simultaneous measurements 2D-LIPS and 2D-PIV at 20 kHz have established a scenario of ignition. A minimum concentration of dodecane and a minimum size of plasma are necessary but not sufficient for a successful ignition. The strength of PVC also appears to play a role in the fate of the initial nucleus. The study proposes to establish conditional probabilities of ignition using measurements by 2D LIPS. It is shown that for ignition tests having an unconditioned probability of 33% show a conditional probability of 88% through the 2D-LIPS measurements.


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