Development of optical diagnostics for soot particles measurements and application to confined swirling premixed sooting flames under rich conditions

par Mathieu Roussillo

Thèse de doctorat en Combustion

Sous la direction de Nasser Darabiha.

  • Titre traduit

    Développement de diagnostics optiques pour la mesure de particules de suies : application à des flammes swirlées confinées et prémélangées avec excès de combustible


  • Résumé

    Le contrôle de la production des particules de suies est aujourd'hui un enjeu industriel majeur en raison de leur impact néfaste tant sur le climat que sur la santé humaine et de leur forte contribution aux transferts radiatifs. Pour mieux comprendre et contrôler la production de ces polluants dans les foyers industriels, il est primordial d’améliorer nos connaissances à ce sujet dans un brûleur turbulent. L’objectif de cette thèse est donc de mettre en place des diagnostics optiques pour l’étude des flammes suitées turbulentes et pour caractérise la production de suies dans une nouvelle configuration de combustion prémélangée,confinée, swirlée turbulente académique tout en se rapprochant des configurations industrielles. Une première configuration expérimentale laminaire est donc considérée afin de valider la mise en place de la technique d’Incandescence Induite par Laser (LII) pour mesurer la fraction volumique de suies fv. Il s’agit d’un brûleur conçu à l’université de Yale qui permet la stabilisation d’une flamme laminaire de diffusion éthylène/air. Ce brûleur a été largement étudié dans la littérature nous permettant ainsi de comparer nos mesures aux résultats de différentes équipes internationales. La calibration du signal LII avec la technique MAE (Modulated Absorption Emission) a été effectuée via une collaboration avec l’UPMC, permettant de mesurer quantitativement fv et de comparer les techniques MAE et LII. Le brûleur a ensuite été équipé d’un haut-parleur afin de moduler l’écoulement et de pouvoir étudier les effets d’une perturbation contrôlée sur la production de suies, se rapprochant ainsi des phénomènes instationnaires caractéristiques des écoulements turbulents. Enfin, les effets d’élargissement de la nappe laser sur les résultats de la LII sont examinés afin de pouvoir appliquer ce diagnostic optique dans une configuration turbulente innovante caractérisée par de grandes dimensions. Ce brûleur (EM2Soot) a été développé pour mesurer la production de suies dans une flamme turbulente swirlée riche confinée prémélangée. Il permet de quantifier indépendamment les effets de la richesse, de la puissance et de l’environnement thermique sur la production de suies. Un point de fonctionnement représentatif a alors été étudié et, en parallèle avec la LII, les techniques de vélocimétrie par images de particules (PIV), et de mesure de température des parois par phosphorescence induite par laser (LIP) ont été employées afin de caractériser l’effet de la turbulence sur la production des suies et d’établir une base de données pour la validation de futures simulations numériques. Enfin, la géométrie du brûleur a été modifiée permettant une stabilisation différente de la flamme (en forme d’un V). Un nouveau point de fonctionnement a alors été étudié afin de mettre en évidence le rôle de la géométrie de l’injecteur sur la stabilisation de la flamme et, par conséquent, la production totale de suies.


  • Résumé

    The control of soot particles production represents today a major industrial issue because of their harmful impact on both the climate and the human health and their strong contribution to the radiative transfers. To better understand and control the production of these polluting emissions, it is essential to improve our knowledge on this subject in a turbulent burner. The objective of this Ph.D. is to set up optical diagnostics for the study of turbulent flames and to experimentally characterize soot production in a new academic turbulent premixed combustion configuration while approaching industrial configurations, generally confined and swirled flows. For this, a laminar experimental configuration is first considered to validate the implementation of the Laser Induced Incandescence (LII) technique to measure the soot volume fraction fv. This burner designed at Yale University allows the stabilization of a laminar ethylene/air diffusion flame. This burner has been widely studied in the literature, so that it is possible to compare the quality of our measurements with the results of different international teams. Through collaborations with the UPMC, we calibrated the LII signal with the MAE (Modulated Absorption Emission) technique, making it possible to quantitatively measure fv and to compare the MAE and LII techniques. Finally, the burner was equipped with a loudspeaker to modulate the flow and to study the effects of a controlled perturbation on the soot production, thus approaching the unsteady phenomena characteristics of turbulent flows. Finally, the effects of the enlargement of the laser sheet on LII results were also investigated in order to be able to apply this diagnostic technique in an innovative large turbulent configuration. This experimental configuration, called EM2Soot, was developed to measure the production of soot in a turbulent swirled rich confined premixed ethylene/air flame. This burner makes it possible to independently quantify the effects of the equivalence ratio, the total flame power and the thermal environment on the total soot production. A representative operating point was then characterized, in parallel with LII measurements, Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Induced Phosphorescence (LIP) techniques have been employed in order to characterize the effect of the turbulence on soot production and to establish a database for the validation of future numerical simulations. Finally, the geometry of the burner has been modified allowing a different stabilization of the flame (V flame shape). A new operating point is then studied in order to highlight the role of the injector geometry on the stabilization of the flame and, consequently, on the total soot production.


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