Experimental investigation of laminar flame speeds of kerosene fuel and second generation biofuels in elevated conditions of pressure and preheat temperature

par Yi Wu

Thèse de doctorat en Physique. Energétique

Sous la direction de Frédéric Grisch.

  • Titre traduit

    Etude expérimentale de la vitesse de flamme laminaire pour des carburants multi-composants de type kérosène et biocarburants de deuxième génération dans des conditions de pression de température élevées


  • Résumé

    La vitesse de flamme laminaire représente une grandeur physique clé à mesurer car elle permet d'obtenir des données fondamentales sur la réactivité, la diffusivité et l'exothermicité du carburant. Elle est également un des paramètres utilisés pour le développement et la validation des mécanismes réactionnels détaillés ainsi que pour la modélisation de la combustion turbulente. Bien que cette grandeur physique ait fait l'objet de nombreuses études expérimentales depuis plusieurs décennies, sa méconnaissance sur des carburants multi-composant dans des conditions haute-pression et haute-température similaires à celles existantes dans les chambres de combustion reste un sujet d'actualité pour les industriels des secteurs automobile et aéronautique. Au cours de cette thèse, un brûleur de configuration bec Bunsen fonctionnant avec un prémélange gazeux combustible/air a été conçu pour produire une flamme laminaire à pression élevée tout en permettant la mesure par voie optique de la vitesse de flamme laminaire de carburants multi-composant (kérosène, biocarburants de seconde génération...). La mesure est basée sur la détection du contour de flamme par diverses diagnostics optiques comme la chimiluminescence OH*, la PLIF-OH et la PLIF-acétone/aromatique. En premier lieu, les mélanges de carburants purs gazeux (CH4) ou liquide (acétone) avec de l'air ont été étudiés pour valider le brûleur expérimental et la méthodologie de mesure de la vitesse de flamme laminaire par voie optique. Les évolutions de la vitesse de flamme laminaire pour des carburants de type kérosène (composants purs, surrogate LUCHE et Jet A-1) en fonction de la pression, température de préchauffage et richesse ont été ensuite étudiées et comparées avec des simulations numériques utilisant un mécanisme réactionnel détaillé. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude de l'influence des composés oxygénés présents dans un biocarburant de seconde génération de type d'essence sur la vitesse de flamme laminaire. Après avoir mesuré la vitesse de flamme laminaire de différentes molécules oxygénées, les effets d'addition de ces composés oxygénés dans le carburant ont été quantifiés


  • Résumé

    Laminar flame speed is one of the key parameters for understanding reactivity, diffusivity and exothermicity of fuels. It is also useful to validate both the kinetic chemical mechanisms as well as turbulent models. Although laminar flame speeds of many types of fuels have been investigated over many decades using various combustion methodologies, accurate measurements of laminar flame speeds of multicomponent liquid fuels in high-pressure and high-temperature conditions similar to the operating conditions encountered in aircraft/automobile combustion engines are still required. In this current study, a high-pressure combustion chamber was specifically developed to measure the laminar flame speed of multicomponent liquid fuels such as kerosene and second generation of biofuels. The architecture of the burner is based on a preheated premixed Bunsen flame burner operated in elevated pressure and temperature conditions. The optical diagnostics used to measure the laminar flame speed are based on the detection of the flame contour by using OH* chemiluminescence, OH- and acetone/aromatic- Planar laser induced fluorescence (PLIF). The laminar flame speed of gaseous CH4/air and acetone/air premixed laminar flames were first measured for validating the experimental setup and the measurement methodologies. Then, the laminar flame speeds of kerosene or surrogate fuels (neat kerosene compounds, LUCHE surrogate kerosene and Jet A-1) were investigated and compared with simulation results using detailed kinetic mechanisms over a large range of conditions including pressure, temperature and equivalence ratio. The last part of the thesis was devoted to study the effect of oxygenated compounds contained in the second generation of biofuels on the laminar flame speeds. After measuring the laminar flame speeds of various oxygenated components present in partially hydro-processed lignocellulosic biomass pyrolysis oils, the effect of these oxygenates on the flame speeds of these fuels were quantitatively investigated


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