Simulations numériques de la combustion assistée par plasma

par Yacine Bechane

Projet de thèse en Combustion

Sous la direction de Benoît Fiorina.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2017 .


  • Résumé

    La réduction des émissions de polluants dans les moteurs d'avion et les turbines à gaz est devenue un problème majeur pour les industriels en raison de la réglementation environnementale accrue. Une solution efficace pour réduire la formation de NOx consiste à maintenir une température de flamme relativement faible, ce qui peut être réalisé en utilisant des systèmes de combustion pré-mélangés pauvres. Cependant, une température de flamme trop faible peut affecter l'efficacité de la combustion et provoquer une augmentation des émissions de CO et d'hydrocarbures non brûlés. Les conditions opératoires se rapprochant des limites d'inflammabilité,des instabilités de flamme apparaissent et on a un risque d'extinction. La combinaison de la stabilité de la flamme, de l'efficacité de la combustion et des problèmes de réduction des polluants est alors très difficile lors de la conception de ces nouvelles technologies de combustion émergentes. Une solution prometteuse pour stabiliser les flammes en régime pauvre est de générer des décharges plasma à la base de la flamme. Il a été démontré que les flammes pré-mélangées maigres pouvaient être stabilisées par une addition locale d'énergie avec des décharges répétitives à la Nanoseconde (NRP) qui produisent une augmentation locale des concentrations d'espèces actives et de la chaleur. La stabilisation assistée par plasma de flammes maigres a récemment été obtenue dans des brûleurs à plus grande échelle, ce qui a permis de réduire de 50 à 70% de la limite d'extinction pauvre de la flamme pré-mélangée propane-air à la pression atmosphérique et aussi dans des turboréacteurs de kérosène. La comptabilisation de ces phénomènes dans les simulations numériques de la dynamique des fluides (CFD) des flux réactifs dans les géométries complexes reste à traiter. La simulation de la combustion turbulente assistée par plasma est nécessaire pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la stabilisation de la flamme afin d'améliorer l'efficacité de cette technologie. L'objectif de la thèse est d'élaborer et de valider contre les données expérimentales une voie de modélisation adaptée pour effectuer des simulations de systèmes de combustion turbulents réalistes tenant compte des interactions plasma-flamme. De telles simulations n'ont jamais été réalisées. Cette étude donnera un aperçu des mécanismes d'interaction flamme plasma. Dans un premier temps, une stratégie de modélisation LES basée sur l'approche développée par Castela et al. (2016) qui combine les effets du plasma et la turbulence, doit être proposée. Les défis sont de modéliser à l'échelle de la sous-maille, les petites échelles de temps et de longueur couvertes par la cinétique du plasma et les décharges électriques, qui ne sont pas résolus en par la LES. Une fois développé, le modèle de combustion turbulente assisté par plasma sera mis en œuvre dans un solveur LES et utilisé pour calculer deux configurations pour lesquelles des données expérimentales sont disponibles: - Le brûleur MINI-PAC, qui est un système pré-mélangé air-propane à faible turbulence. -La chambre de combustion BIMER, qui est une chambre de combustion à forte turbulente et confinée, représentative d'un dispositif de combustion aéronautique, alimentée soit avec du propane, soit avec du dodécane liquide pour imiter le kérosène. La thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR PASTEC (Plasma-ASisTEd Combustion).

  • Titre traduit

    Numerical simulations of plasma assisted combustion


  • Résumé

    The reduction of pollutant emissions in aircraft engines and gas turbines has become a major issue for industrialists as a result of increased environmental regulations. An efficient solution to reduce NOx formation is to maintain a relatively low flame temperature, which can be achieved by using lean premixed combustion systems. However, a too low flame temperature may affect the combustion efficiency and cause an increase in CO and unburned hydrocarbons CHx emissions. The operating conditions get closer to the flammability limits, where flame instabilities or even extinction may occur. Combining flame stability, combustion efficiency and pollutant reduction issues is then very challenging when designing these emerging new combustion technologies. It has been shown that lean premixed flames could be stabilized by a local addition of energy with Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges that produce a local increase in active species concentrations and heat. Plasma-assisted stabilization of lean flames was recently obtained in larger scale burners, allowing reductions from 50 to 70% of the lean extinction limit of premixed propane-air flame at atmospheric pressure and of kerosene-air turbojet aerodynamic injector operating at 3 bar. Accounting for these phenomena in Computational Fluid Dynamics (CFD) of reactive flows in complex geometries remains to be addressed. Simulation of plasma-assisted turbulent combustion is required to understand the fundamental mechanisms of flame stabilization in order to improve the efficiency of such technology. The objective of the thesis is to elaborate and validate against experimental data a modeling route suitable to perform simulations of realistic turbulent combustion systems accounting for plasma-flame interactions. Such simulations have never been realized. This study will give insights into the plasma flame interaction mechanisms. To begin, an LES modeling strategy based on the approach developed by Castela et al. (2016) that combines both effects of the plasma and turbulence on the combustion phenomena, has to be proposed. The challenges are to model at the subgrid scale small time and length scales covered by the plasma kinetics and electric discharge, which are not resolved by the LES. Once developed, the plasma-assisted turbulent combustion model will be implemented in an LES solver and used to compute two configurations for which experimental data are available: - The MINI-PAC burner, which promotes a low-turbulent propane/air flame. -The BIMER combustor, which is a confined highly turbulent swirled combustor representative of an aeronautical combustion device, fed either with propane or with liquid dodecane to mimic kerosene. The thesis is part of the ANR project PASTEC (Plasma-ASisTEd Combustion).