Combined study by Direct Numerical Simulation and optical diagnostics of the flame stabilization in a diesel spray

par Fabien Tagliante-Saracino

Thèse de doctorat en Combustion

Sous la direction de Gilles Bruneaux et de Christian Angelberger.

Soutenue le 11-03-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut français du pétrole Énergies nouvelles (laboratoire) , CentraleSupélec (2015-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Carnot IFPEN Transports Energie (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude combinée par simulation numérique direct et diagnostics optiques de la stabilisation de la flamme d’un spray Diesel


  • Résumé

    La compréhension du processus de stabilisation des flammes Diesel constitue un défi majeur en raison de son effet sur les émissions de polluants. En effet, la relation étroite entre la distance de lift-off (distance entre la flamme et l’injecteur) et la production de suie est maintenant bien établie. Cependant, différents mécanismes de stabilisation ont été proposés mais sont toujours sujets à discussion. L'objectif de cette thèse est de fournir une contribution expérimentale et numérique pour identifier les mécanismes de stabilisation majeurs.La combustion d'un spray n-dodécane issu d'un injecteur mono-trou a été étudiée dans une cellule à volume constant en utilisant une combinaison de diagnostics optiques : mesures hautes cadences et simultanées de schlieren, LIF à 355 nm, chimiluminescence haute température ou de chimiluminescence OH *. Des expériences complémentaires sont effectuées au cours desquelles le mélange est allumé entre l’injecteur et le lift-off par plasma induit par laser. L’évolution du lift-off jusqu’à son retour à une position d’équilibre plus en aval est ensuite étudiée pour différentes conditions opératoires. L'analyse de l'évolution du lift-off sans allumage laser révèle deux types principaux de comportement : des sauts brusques en amont et un déplacement plus progressif en aval. Alors que le premier comportement est attribué à des événements d'auto-inflammation, le second est analysé grâce aux résultats obtenus par allumage laser. Il a été constaté que l'emplacement du formaldéhyde avait un impact important sur la vitesse de retour du lift-off.Une simulation numérique directe (DNS en anglais) bidimensionnelle d'une flamme liftée turbulente se développant spatialement dans les mêmes conditions opératoires que les expériences et reproduisant l'évolution temporelle de la distance de lift-off est proposée. Du fait que les expériences montrent que la flamme se stabilise en aval du spray liquide, la DNS ne couvre qu'une région en aval où l’écoulement est réduit à un jet gazeux. La chimie de l’n-dodécane est modélisée à l'aide d'un schéma cinétique (28 espèces transportées) prenant en compte les chemins réactionnels basse et haute température. Comme observé expérimentalement, la stabilisation de la flamme est intermittente : des auto-inflammations se produisent tout d'abord puis se font convecter en aval jusqu'à ce qu'une nouvelle auto-inflammation se produise. Le mécanisme principal de stabilisation est l'auto-inflammation. Toutefois, on observe également à la périphérie du jet diverses topologies de flammes, telles que des flammes triples, qui aident la flamme à se stabiliser en remplissant des réservoirs de gaz brûlés à haute température localisés à la périphérie, ce qui déclenche des auto-inflammations. Toutes ces observations sont résumées dans un modèle conceptuel décrivant la stabilisation de la flamme.Enfin, un modèle prédisant les fluctuations de la distance du lift-off autour de sa valeur moyenne temporelle est proposé. Ce modèle a été développé sur la base d’observations faites dans l’étude expérimentale et numérique : premièrement, le suivi temporel du lift-off a été décomposé en une succession d’auto-inflammations et d’évolutions en aval. Deuxièmement, la période entre deux auto-inflammations et la vitesse d'évolution en aval ont été modélisées à l'aide de corrélations expérimentales disponibles dans la littérature. Troisièmement, le modèle a été adapté afin de prendre en compte l’effet des réservoirs à haute température sur les fluctuations de la flamme. Et enfin, le modèle a été comparé aux données expérimentales, au cours desquelles des variations de la température ambiante, de la concentration en oxygène et de la pression d'injection ont été effectuées. Dès lors que le modèle a montré une bonne correspondance avec les données expérimentales, il peut être utilisé en complément du modèle prédisant la distance du lift-off moyen afin de mieux décrire la stabilisation d’une flamme Diesel.


  • Résumé

    The understanding of the stabilization process of Diesel spray flames is a key challenge because of its effect on pollutant emissions. In particular, the close relationship between lift-off length and soot production is now well established. However, different stabilization mechanisms have been proposed and are still under debate. The objective of this PhD is to provide an experimental and numerical contribution to the investigation of these governing mechanisms.Combustion of an n-dodecane spray issued from a single-hole nozzle was studied in a constant-volume precombustion vessel using a combination of optical diagnostic techniques. Simultaneous high frame rate schlieren, 355LIF (laser-induced fluorescence) and high-temperature chemiluminescence or OH* chemiluminescence are respectively used to follow the evolution of the gaseous jet envelope, formaldehyde location and lift-off position. Additional experiments are performed where the ignition of the mixture is forced at a location upstream of the natural lift-off position by laser-induced plasma ignition. The analysis of the evolution of the lift off position without laser ignition reveals two main types of behaviors: sudden jumps in the upstream direction and more progressive displacement towards the downstream direction. While the former is attributed to auto-ignition events, the latter is studied through the forced laser ignition results. It is found that the location of formaldehyde greatly impacts the return velocity of the lift-off position.A two-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) of a spatially developing turbulent lifted flame at the same operating conditions than the experiments and reproducing the temporal evolution of the lift-off length is proposed to provide a better understanding of the flame stabilization mechanisms. The DNS only covers a downstream region where the flow can be reduced to a gaseous jet, since experimental observations have shown that the flame stabilized downstream of the liquid spray. N-dodecane chemistry is modeled using a reduced chemical kinetics scheme (28 species transported) accounting for the low- and high temperature reaction pathways. Similar to what has been observed in the experiments, the flame stabilization is intermittent: flame elements first auto-ignite before being convected downstream until another sudden auto-ignition event occurs closer to the fuel injector. The flame topologies, associated to such events, are discussed in detail, using the DNS results, and a conceptual model summarizing the observations made is proposed. Results show that the main flame stabilization mechanism is auto-ignition. However, multiple reaction zone topologies, such as triple flames, are also observed at the jet periphery of the fuel jet helping the flame to stabilize by filling high-temperature burnt gases reservoirs localized at the periphery, which trigger in its turn auto-ignitions.Finally, a model predicting the fluctuations of the lift-off length around its time-averaged value is proposed. This model has been developed based on observations made in the experimental and numerical study: first, the lift-off length time-evolution was decomposed into a succession of auto-ignition events and downstream evolutions. Second, the period between two auto-ignition and the velocity of the downstream evolution was modeled using experimental correlations available in the literature. Third, the model has been adapted to take into account the effect of the high-temperature reservoirs on the flame fluctuations. Last, the model was compared to experimental data, where the ambient temperature, oxygen concentration and injection pressure were varied. Since the model showed good agreement with the experimental data, it can be used in addition to the model predicting the time-averaged lift-off length to better describe the Diesel flame stabilization.


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