Développement et application de diagnostics optiques pour l’analyse des mécanismes de formation et d’oxydation de suie dans des flammes stratifiées et swirlées

Development and application of optical diagnostics for the study of soot formation and oxydation machanisms in a swirl stratified flame

• Auteur / Autrice : Maxime Bouvier
• Direction : Frédéric Grisch, Jérôme Yon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et propulsion
• Date : Soutenance le 08/06/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Vervisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grisch, Jérôme Yon, Romain Lemaire, Guillaume Legros, Gilles Cabot, Benedetta Giulia Franzelli, Éric Therssen, Michele Bardi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Lemaire, Guillaume Legros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Spectroscopie Raman

Spectroscopie d'absorption

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Flamme

Tourbillons (mécanique des fluides)

Oxydation

Suie

Mots clés libres

Diagnostics optiques

Swirl

Stratification

Combustion turbulente

Soot

Optical diagnostics

Swirl

Stratification

Turbulent combustion

Résumé

L’augmentation du trafic aérien s’accompagne d’un durcissement de la réglementation visant à limiter les émissions de gaz à effet de serre et de polluants. Parmi ces polluants, on retrouve les particules de suie qui pourraient compter pour un tiers de la contribution de l’aviation au réchauffement climatique. L’OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale) a adopté en 2020 une nouvelle formulation de la norme d’émissions particulaires autorisant la certification des moteurs aéronautiques. Même si cette nouvelle réglementation entrera en vigueur en 2023 et ne sera pas plus restrictive que l’ancienne, elle témoigne d’un intérêt grandissant pour la réduction des émissions des particules de suie rejetées dans l’environnement. C’est dans ce cadre qu’a été lancé le projet européen SOPRANO dont les activités scientifiques de ma thèse font partie intégrante. L’objectif de ce projet est d’accroître la compréhension de la formation des particules de suie dans les chambres de combustion aéronautiques. La contribution de ma thèse à ce projet européen concerne la caractérisation de la formation et de l’oxydation des particules de suie produites dans des flammes aéronautiques caractérisées par une injection swirlée et stratifiée. Pour appréhender le rôle joué par ces deux paramètres, un brûleur académique, dont l’architecture a été simplifiée par rapport à celle des injecteurs aéronautiques de nouvelle génération (multipoint), a été conçu et fabriqué, puis utilisé dans ma thèse. Plusieurs conditions opératoires, présentant des productions de suie différentes, ont été définies en faisant varier les valeurs des nombres de swirl et la stratification d’une flamme de prémélange éthylène / air à pression atmosphérique. La formation des particules de suie a principalement été étudiée grâce à l’utilisation de diagnostics optiques. Tout d’abord, une caractérisation des grandeurs clés intervenant dans les processus de formation et de croissance des suies a été réalisée : l’aérodynamique des flammes a été étudié par PIV, la position du front de flamme par PLIF-OH, la formation des précurseurs de suie (aromatiques) par PLIF-HAP et la température de flamme par thermocouple. Concernant les particules de suie, la fraction volumique et le diamètre des particules primaires ont été mesurées par LII et la concentration en nombre et le diamètre des particules par diffusion élastique angulaire ainsi que par prélèvement et analyse SMPS. Une analyse d’un échantillon de particules de suie prélevées directement dans la flamme a également été réalisée par microscopie électronique afin d’obtenir des informations de taille et de microstructure. Plusieurs de ces diagnostics optiques ont bénéficiés de développements importants au cours de ma thèse (mise en oeuvre et prise en compte de la durée d’ouverture de la caméra pour la LII auto-compensée, analyse spectrale de la diffusion, diffusion angulaire 2D résolue en temps). La combinaison de ces techniques de mesure a en outre permis une étude détaillée des zones de formation des précurseurs de suie, de nucléation, de croissance, d’agrégation et enfin d’oxydation des particules de suie. Un schéma descriptif de la formation et de l’oxydation des particules de suie dans les flammes swirlées et stratifiées étudiées a donc finalement été proposé.

Air traffic increase comes along with tighter regulations aimed at reducing the emissions of greenhouse gases and pollutants. Among these pollutants are soot particles, which could account for a third of aviation contribution to global warming. The ICAO (International Civil Aviation Organization) adopted in 2020 a new formulation of the particulate emissions standard allowing the certification of aeronautical engines. Although this new regulation will come into effect only in 2023 and will not be more restrictive than the former one, it reflects a growing interest in reducing soot emissions. The research undertaken within the present Ph.D. work is part of the SOPRANO European project whose goal is to improve our understanding of the soot formation processes in aircraft combustion chambers. The contribution of this thesis to this European project is to analyse the formation and oxidation of soot particles produced in swirled and stratified premixed flames. In order to understand the role of these two physical quantities, an academical burner, whose architecture has been simplified compared to the new generation of aeronautical fuel injectors (multi-point), has been designed and built, and then used in this thesis. Several operating conditions, with various soot productions, were defined by varying the values of the swirl and stratification numbers of an ethylene/air premixed flame at atmospheric pressure. The formation of soot particles was mainly studied with innovative optical diagnostics. First, a characterization of the key variables involved in the soot formation and growth processes was performed: the aerodynamics of the flames was studied by PIV, the combustion reaction by PLIF-OH, the formation of soot precursors (aromatics) by PLIF-HAP and the flame temperature by thermocouple. For the soot particles, the volume fraction and diameter of the primary particles were measured by LII and the number concentration and particle diameter by the angular elastic scattering technique and by a sampling combined with a SMPS ex-situ analysis. An analysis of a sample of soot particles probed directly inside the flame was also performed by electron microscopy to obtain size and microstructure information. Several of these optical diagnostics benefited from significant development which consisted in the implementation and consideration of camera gate duration for auto-compensating LII, spectral analysis of light scattering from soot particles, and time-resolved 2D angular scattering. The combination of these measurement techniques further allowed a detailed study of the areas of soot precursor formation, nucleation, growth, aggregation, and oxidation of soot particles, resulting in the proposal of a descriptive scheme of soot particle formation and oxidation in swirled and stratified flames.