Analyse des pertes thermiques lors de l’interaction flamme/paroi dans le cas de flammes de prémélange et de flammes de diffusion d’un spray

Analysis of Heat Loss during Flame Wall Interaction of Premixed Propagative Flames and Diffusive Spray Flames

• Auteur / Autrice : Abhijit Padhiary
• Direction : Julien Sotton, Marc Bellenoue, Guillaume Pilla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 20/05/2022
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Galizzi, Brian Peterson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Transfert de chaleur

Moteurs à combustion interne -- Combustion

Flamme

Combustion spontanée

Chambres de combustion

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Combustion à volume constant

Flux thermique

Interaction flamme-paroi

Allumage de la pré-chambre

Constant volume combustion

Heat flux

Flame/wall interaction

Pre-chamber ignition

Résumé

Lors du processus de combustion dans les moteurs à combustion interne, une grande partie de l'énergie est perdue par transfert de chaleur à la paroi, notamment pendant l'interaction flamme-paroi. Afin d’améliorer la compréhension de ces phénomènes, un travail expérimental sur les modes de combustion prémélangé et diffusif a été effectué. Au cours de ces travaux de thèse, l’interaction flamme-paroi en mode prémélangé est étudiée dans une chambre à volume constant (CVC) ainsi qu’un moteur optique, tandis que l’interaction flamme-paroi en mode diffusif est étudié dans une CVC. Afin de caractériser les échanges thermiques, des thermocouples à jonction mince ont été mis en œuvre. Simultanément, la vélocimétrie par image de particules (PIV) a été utilisée pour caractériser les champs de vitesses dans la CVC, et plus particulièrement les niveaux de turbulence. En conditions d’écoulement laminaire, nous avons montré que le pic de flux thermique (QP) dépend de la pression au moment de l’interaction flamme-paroi (Pint) suivant une loi de puissance (QP~ Pintb, b = 0.35). En conditions turbulentes, nous avons montré que QP est supérieur au cas laminaire de 24% à 55%, avec un coefficient b>1. L’influence de la dilution du mélange combustible avec CO2 et N2 a été étudiée. Nous avons montré que la dilution conduit à une réduction de QP, qui s’explique par la diminution de la puissance de la flamme (QƩ) pendant l’interaction flamme-paroi. Des expériences de variations de QƩ ont permisde montrer que le pic de flux thermique adimensionné est plus faible pour QƩ élevé. Dans un deuxième temps le mode de combustion diffusif a été étudié dans la CVC, dans les conditions ECN spray A. Nous avons montré que le coefficient de transfert de chaleur par convection (h) est maximal près de l'extrémité du spray, c'est-à-dire dans la zone de stagnation. D’autre part, h reste également inchangé pour différentes températures ambiantes, et ce en conditions réactives et non-réactives de fonctionnement de la CVC. Des expériences ont été réalisées où l'auto-inflammation se produit après l'interaction entre le spray et la paroi, ce qui nous a permis de reproduire un pic de flux thermique en deux temps. Nous avons identifié que la première marche de flux est due l'interaction aérodynamique entre le spray et la paroi, et la seconde à l’interaction flamme-paroi. Pour finir, une étude des échanges thermiques instantanés en moteur optique a été réalisée. Deux systèmes d’allumage ont été testés, une bougie conventionnelle et une préchambre passive. Nous avons montré que l’influence principale du système d’allumage était liée aux écarts de Pint au moment de l’interaction flamme-paroi, et que l’influence de l’aérodynamique des jets issus de la préchambre est d’ordre deux.

A large part of the energy is lost by heat transfer to the wall during the combustion process in internal combustion engines,especially during flame wall interaction (FWI). The open issues in FWI require experimental insight into both premixed and spray combustion. In this work, the premixed FWI is studied in a constant volume chamber (CVC) and an engine while spray combustion is studied in a CVC using thin junction thermocouples (TCs) to characterize the wall heat flux. Simultaneous particle image velocimetry (PIV) is used to characterize the flow field in the CVC. For laminar FWI, the heat flux peak (QP) depends on the pressure during FWI (Pint) with a power-law (QP~ Pintb, b = 0.35). The average QP for turbulent FWI is larger than the laminar case by 24% to 55%, with b>1. Dilution of the mixture (with CO2 and N2) led to a reduction of QP, due to the decrease in the flame power (QƩ) during FWI. Experiments on the variation of QƩ led to lower non-dimensional heat flux peak for high QƩ. Nonpremixed FWI experiments were carried out in ECN spray A conditions in CVC. The convective heat transfer coefficient (h) is found to be maximum near the tip of the spray i.e., stagnation zone. h is also found to remain unchanged for different ambient temperatures both in a reactive and non-reactive spray-wall interaction. Modifying the conditions, experiments were carried out where the autoignition occurs after spray-wall interaction leading us to obtain two-step heat flux where the first step is due to spray wall interaction and the second step is due to the reaction of spray and FWI. Propagative FWI is also studied in an engine for two modes of ignition, conventional spark ignition (SI) and passive pre-chamber ignition (PC). QP vs Pint for different locations of TCs and different ignition systems remained the same. QP vs Pint is different for different ignition timings for PC ignition, while it remains the same for SI. With the increase of IMEP, we find an increase in QP corresponding to increase in Pint.