Thermal and hydrodynamic effects of nanosecond discharges in air and application to plasma-assisted combustion

par Da Xu

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Christophe Laux.

Le président du jury était Marc Bellenoue.

Le jury était composé de Christophe Laux, Deanna Lacoste, Armelle Cessou, Sergey Pancheshnyi, Yiquang Ju.

  • Titre traduit

    Effets thermiques et hydrodynamiques des décharges nanosecondes et application à la combustion assistée par plasma


  • Résumé

    Les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, en particulier dans la combustion assistée par plasma et le contrôle d'écoulement aérodynamique. Tout d'abord, nous étudions les effets thermiques et hydrodynamiques d'une décharge NRP en utilisant des mesures de Schlieren rapide quantitatives et des analyses numériques dans l'air à la pression atmosphérique à 300 et 1000 K. Les images Schlieren résolues en temps montrent l'expansion du canal de gaz chauffé à partir de 50 ns après la décharge et la propagation d'ondes de choc à partir d'environs 500 ns. L'onde de choc change de forme cylindrique à sphérique après 3 µs. Nous analysons des images Schlieren enregistrées à partir de 50 nanosecondes à 3 microsecondes après la décharge. Des profils de densité de gaz simulés en coordonnées cylindriques 1-D sont utilisés pour reconstruire des images Schlieren numériques pour la comparaison avec les résultats expérimentaux. Nous proposons une méthode originale pour déterminer la température du gaz initial et la fraction de l'énergie transférée dans le chauffage rapide, en utilisant une comparaison des profils de contraste d'images obtenues à partir d'images Schlieren expérimentales et numériques. Les résultats montrent qu'une fraction importante de l'énergie électrique est convertie en chauffage du gaz en quelques dizaines de nanosecondes. Les valeurs vont de 25 % pour un champ électrique réduit de 164 Td dans l'air à 300 K à environ 75 % à 270 Td dans l'air à 1000 K. Celles-ci reflètent les processus de chauffage rapide par quenching dissociatif de N2(B,C) par l'oxygène moléculaire. Deuxièmement, nous fournissons une base de données pour tester la modélisation cinétique de l'allumage pauvre de mélange par les décharges NRP. Le rayon d'allumage initial, le développement du noyau d'allumage à des pressions jusqu'à 10 bar sont caractérisées. Les comparaisons avec un allumeur classique montrent que de meilleurs résultats sont obtenus avec des décharges NRP en termes de vitesse de propagation de la flamme, en particulier à haute pression, où la vitesse de flamme augmente jusqu'à 20% à 10 bar en raison de l'augmentation de plissement du front de flamme induit par les décharges NRP. Enfin, nous étudions la réponse dynamique d'une flamme à l'actionnement par les décharges NRP dans un brûleur 12-kW. Les résultats montrent une réduction significative (75%) de la hauteur de décollement de flamme après l'application des décharges NRP. Le mécanisme en jeu est l'entrainement des radicaux OH et de la chaleur produite par la décharge vers la couche de cisaillement de gaz frais entrant. Cette étude ouvre ainsi de nouvelles perspectives vers le contrôle des instabilités de combustion.


  • Résumé

    Nanosecond repetitively pulsed (NRP) discharges are being increasingly used in various applications, in particular in plasma-assisted combustion and aerodynamic flow control. First, we studied the thermal and hydrodynamic effects of NRP discharges using quantitative Schlieren measurements and numerical analyses in atmospheric pressure air. The time resolved images show the expansion of the heated gas channel starting from as early as 50 ns after the discharge and the shock-wave propagation from about 500 ns. Gas density profiles simulated in 1-D cylindrical coordinates are used to reconstruct numerical Schlieren images for comparison with experimental ones. We propose an original method to determine the initial gas temperature and the fraction of energy transferred into fast gas heating, using a comparison of the contrast profiles obtained from experimental and numerical Schlieren images. The results show that a significant fraction of the electric energy is converted into gas heating within a few tens of ns. The values range from 25 % at a reduced electric field of 164 Td in air at 300 K to about 75 % at 270 Td in air preheated to 1000 K, which supports the fast heating processes via dissociative quenching of N2(B, C) by molecular oxygen. Second, we provide a database to test the kinetic modeling of lean mixture ignition by NRP discharges. We characterize the initial spark radius and the ignition kernel development at pressures up to 10 bar. Comparisons with a conventional igniter show that better results are obtained with NRP discharges in terms of flame propagation speed, especially at high pressure. The flame speed increases by up to 20 % at 10 bar due to the increased wrinkling of the flame front induced by NRP discharges. Finally, we investigate the dynamic response of a flame to actuation by NRP discharges in a 12-kW bluff-body stabilized burner. The results show a significant reduction in flame lift-off height, within 5 ms after applying the NRP discharges. The mechanism is attributed to the entrainment of the OH radicals and heat towards the shear layer of incoming fresh gases. This opens up new applications in the control of combustion instabilities.


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