Étude expérimentale et numérique de la transition front d’auto-inflammation/déflagration. Influence des propriétés de combustion du mélange

Experimental and Numerical Study of Autoignition/Deflagration Transition Limit. Influence of Combustion Properties of the Mixture

• Auteur / Autrice : Hicham Ossman
• Direction : Julien Sotton, Camille Strozzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 04/01/2023
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Jay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Guillaume Vanhove

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Thermodynamique

Moteurs à explosion

Gaz (combustible)

Combustion spontanée

Chimiluminescence

Air

Mots clés libres

Déflagration

Machine à compression rapide (MCR)

Gradient de température

Deflagration

Rapid compression machine

Thermal gradient

Résumé

Les enjeux environnementaux et sociétaux de la combustion pour la production d’énergie (électrique, chauffage ou transport), nécessitent le développement de nouveaux modes de combustion, de nouvelles technologies de brûleurs et de combustibles alternatifs. L’autoinflammation de mélanges homogènes en composition chimique intervient dans certains modes de combustion avancés, à la fois pour des applications de propulsion terrestre (HCCI, SACI, …) ou aéronautique (CVC). Ces modes ont été étudiés ces deux dernières décennies pour la réduction de la consommation et/ou des émissions polluantes des systèmes propulsifs. Une des difficultés pour leur application pratique réside dans le fait que l’instant d’autoinflammation ainsi que le taux de dégagement de chaleur associé ne sont contrôlés qu’indirectement. Zel’Dovich a mis en évidence l’existence de plusieurs régimes de combustion en fonction des gradients de réactivité présents localement juste avant l’autoinflammation, en particulier la déflagration, le front d’autoinflammation et la détonation.Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux de thèse concernent la limite de transition entre le front d'autoinflammation et la déflagration pour des mélanges homogènes et gazeux de combustible et d’air synthétique. En particulier, l'objectif est d'analyser la sensibilité du régime de combustion au gradient de température, à la composition du mélange et aux conditions thermodynamiques. Une machine à compression rapide est utilisée à cet effet.Une combinaison originale de conditions expérimentales est établie pour générer des fronts d'autoinflammation ou déflagrations quasi-1D, se propageant à l'intérieur d'une large région laminaire et chaude. Pour cela, l’écoulement interne a été qualifié des points de vue aérodynamique et thermique. En particulier, des gradients de température sont générés dans cette région de cœur adiabatique centrale en chauffant différemment les différentes parties de la MCR. L'amplitude des gradients est mesurée avec des thermocouples à fils fins de 7.6 µm, ce qui représente une spécificité du travail présenté.L’objectif principal consiste en l’analyse des comportements locaux des fronts réactifs dans des conditions aérodynamique et thermique maitrisé. L'influence de composition de mélange et des propriétés thermodynamiques est étudiée via une approche numérique afin de déterminer les conditions clés conduisant à l'inflammation spontané ou à la déflagration. En particulier, des simulations 0D des délais d’autoinflammations et de la vitesse de flamme laminaire sont réalisées en utilisant le progiciel CANTERA et un schéma cinétique détaillé pour l’oxydation du n-heptane. Les résultats des simulations sont utilisés pour calculer la vitesse d’autoinflammation. Cette dernière est comparée à la vitesse de flamme laminaire, pour délimiter les régions correspondantes à l'autoinflammation et à la déflagration.Trois dispositifs de mesure mis en place, utilisant les principes de la PLIF-OH à haute cadence, de la Vélocimétrie par Images de Particules et de la chimiluminescence, ont permis d’obtenir des résultats en termes de vitesses de propagation de front réactif. La caractérisation de régime de combustion a été réalisée à différents pression et température au PMH et avec des mélanges riches, normaux et pauvres en oxygène. Ces conditions de mélange, de pression et de température au PMH sont choisis en basant sur les résultats des études numériques et de caractérisation aérodynamique et thermique. Les visualisations optiques confirment que la dynamique des fronts d'autoinflammation dépend fortement (i) de la composition du mélange gazeux et des conditions thermodynamiques, (ii) des gradients thermiques dans le mélange non brûlé. En particulier, les auteurs mettent en évidence les conditions expérimentales pour lesquelles un gradient plus raide ou un changement dans la composition du mélange ou de pression conduit à une transition de l'autoinflammation à la déflagration.

Environmental regulations are in constant evolution all over the world to accelerate the development of advanced generations of highly efficient and ultra-clean combustion technologies for transportation, power generation, industry and buildings. Therefore, the development of new efficient and environmentally respectful combustion concepts and systems, capable of using conventional and alternative fuels, has become more important in the recent years. Autoignition of homogeneous mixtures in terms of chemical composition is a phenomenon involved in advanced combustion modes for both ground propulsion (HCCI, SACI…) and aeronautic propulsion (CVC). Most of these modes were under study over the last two decades in order to reduce fuel consumption and/or pollutant emissions of propulsive systems. One of the main difficulties for their practical application is due to the fact the autoignition phasing and the heat release rate are not directly controlled. Zel’Dovich reported the existence of different combustion regimes depending on the reactivity gradients observed before the onset of autoignition. These regimes are deflagration, spontaneous ignition fronts, and detonation.In this context, the objectives of this thesis work concern the transition limit between the autoignition front and deflagration for homogeneous and gaseous mixtures of fuel and synthetic air. In particular, the objective is to analyze the sensitivity of the combustion regime to the temperature gradient, the mixture composition and the thermodynamic conditions. A fast compression machine (RCM) is used for this purpose.An original combination of experimental conditions is set to generate quasi-1D autoignition fronts or deflagrations propagating inside a wide laminar and hot region. For this purpose, the internal flow has been qualified from aerodynamic and thermal points of view. In particular, temperature gradients are generated in this core region using differential heating. The amplitude of the gradients is measured with thin thermocouples of 7.6 μm, which represents a specificity of the present work.The influence of the mixture composition and thermodynamical properties is studied through a numerical approach in order to grasp the key conditions leading to spontaneous ignition front or deflagration. In particular, 0D computations of autoignition delay and laminar flame velocity are performed using chemical kinetic mechanisms for n-heptane oxidation. Ignition delays are computed taking into account the compression history of our RCM. The calculated ignition delay time are then used to calculate the spontaneous ignition velocity. This latest is compared to the laminar flame speed to delineate regions corresponding to autoignition or deflagration.Three measurement devices, using the principles of high-speed PLIF-OH, Particle Image Velocimetry and chemiluminescence, have been set up to measure the reactive front propagation speed.The characterization of the combustion regime was performed at different pressures and temperatures at TDC and with rich, normal and low oxygen mixtures. Mixture and conditions were selected based on the numerical study and aerodynamical conditions. The optical records confirm that the dynamics of autoignition fronts is strongly dependent on (i) the gaseous mixture composition and the thermodynamical conditions, and (ii) on thermal gradients in the unburned mixture. In particular, the author evidences experimental conditions for which a steeper gradient or a change in mixture composition leads to a transition from autoignition to deflagration.