Etude expérimentale d'un mélange combustible-comburant par fluorescence induite par laser PDF Download
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Author: Anna Maria Pubill Melsio Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 251
Book Description
L’utilisation de méthodes diagnostics “non-intrusives” fournissant des mesures de température, de concentration ou de vitesse tels que la diffusion Rayleigh, l’absorption ou la PIV, par exemple, se révèlent nécessaires dans les domaines de la combustion et de la mécanique des fluides. Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé la fluorescence induite par laser (technique “non-intrusive”), qui nous donne accès à des mesures de concentration d’espèces dans des foyers ou des flammes dans des conditions extrêmes. Nous prenons une molécule susceptible d’être fluorescente à une certaine longueur d’onde et nous la mélangeons avec du combustible. Ce dopant doit être préalablement excité à l’aide d’un laser. La molécule doit avoir certaines caractéristiques proches du combustible avec lequel va être mélangé et de plus, elle doit résister les différentes conditions des expériences. Une recherche bibliographique nous a permis de déterminer des molécules (traceurs) susceptibles de convenir à ce genre d’approche. Les molécules finalement choisies sont la cétone acétone (C3H6O) et le naphtalène (C10H8) qui appartient aux PAHs (Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques). La suite se déroule en deux parties différentes. Dans la première partie, une étude fondamentale à différentes pressions est réalisée ; l’objectif étant de mettre en évidence l’influence de la pression sur le signal de fluorescence (1 à 15 bar). Cette condition est intéressante pour utiliser le traceur dans des environnements sous pression, comme par exemple les moteurs. La deuxième partie présente des résultats de l’application de ce diagnostic optique à deux types de configurations expérimentales.
Author: Anna Maria Pubill Melsio Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 251
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L’utilisation de méthodes diagnostics “non-intrusives” fournissant des mesures de température, de concentration ou de vitesse tels que la diffusion Rayleigh, l’absorption ou la PIV, par exemple, se révèlent nécessaires dans les domaines de la combustion et de la mécanique des fluides. Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé la fluorescence induite par laser (technique “non-intrusive”), qui nous donne accès à des mesures de concentration d’espèces dans des foyers ou des flammes dans des conditions extrêmes. Nous prenons une molécule susceptible d’être fluorescente à une certaine longueur d’onde et nous la mélangeons avec du combustible. Ce dopant doit être préalablement excité à l’aide d’un laser. La molécule doit avoir certaines caractéristiques proches du combustible avec lequel va être mélangé et de plus, elle doit résister les différentes conditions des expériences. Une recherche bibliographique nous a permis de déterminer des molécules (traceurs) susceptibles de convenir à ce genre d’approche. Les molécules finalement choisies sont la cétone acétone (C3H6O) et le naphtalène (C10H8) qui appartient aux PAHs (Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques). La suite se déroule en deux parties différentes. Dans la première partie, une étude fondamentale à différentes pressions est réalisée ; l’objectif étant de mettre en évidence l’influence de la pression sur le signal de fluorescence (1 à 15 bar). Cette condition est intéressante pour utiliser le traceur dans des environnements sous pression, comme par exemple les moteurs. La deuxième partie présente des résultats de l’application de ce diagnostic optique à deux types de configurations expérimentales.
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L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST DE FOURNIR UN NOUVEL OUTIL POUR LA MESURE DU RAPPORT CARBURANT-AIR (RICHESSE) DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE. CETTE METHODE DE DIAGNOSTIC OPTIQUE, BASEE SUR UNE NOUVELLE APPROCHE DE LA FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER, PROFITE DE L'EFFET DES DESEXCITATIONS COLLISIONNELLES NON RADIATIVES (QUENCHING). LE TOLUENE PRESENT DANS UNE FAIBLE PROPORTION (5% DANS L'ISO-OCTANE) EST UTILISE COMME TRACEUR POUR VISUALISER LA DISTRIBUTION DU CARBURANT. UN LASER A EXCIMERE KRF (248 NM) BANDE LARGE EST UTILISE POUR INDUIRE LA FLUORESCENCE DU TOLUENE. DANS LA PREMIERE PARTIE DE CETTE ETUDE, NOUS EFFECTUONS UNE ETUDE SPECTROSCOPIQUE DU MELANGE ISO-OCTANE -TOLUENE DANS UNE CELLULE DE REFERENCE. LORSQUE LA PRESSION D'AIR EST SUPERIEUR A 3 BARS, NOUS MONTRONS QUE LA FLUORESCENCE DU TOLUENE EST ALORS DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE A LA RICHESSE DU MELANGE. DANS LA SECONDE PARTIE, DES CARTOGRAPHIES DE LA RICHESSE DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION DU MOTEUR SONT REALISEES DURANT LA PHASE DE COMPRESSION. NOUS ETUDIONS L'EFFET DE DIFFERENTES CONFIGURATIONS D'INJECTION SUR L'HOMOGENEITE SPATIALE DE LA RICHESSE ET SUR LES VARIATIONS CYCLE-A-CYCLE DE LA RICHESSE MOYENNE. LORSQUE L'INJECTEUR EST ELOIGNE DE LA SOUPAPE D'ADMISSION, OU LORSQUE LA PIPE D'ADMISSION EST REFROIDIE, L'INHOMOGENEITE DU MELANGE ET LES FLUCTUATIONS CYCLE-A-CYCLE DE LA RICHESSE MOYENNE AUGMENTENT. L'ETUDE DE LA CORRELATION ENTRE LA DISTRIBUTION DE LA RICHESSE ET LA FRACTION DE MASSE BRULEE 10 APRES LE POINT MORT HAUT MONTRE L'EFFET BENEFIQUE DES INHOMOGENEITES DE CHARGE ELOIGNEES DE LA BOUGIE SUR LA VITESSE DE COMBUSTION
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La combustion de pré-mélange pauvre est un procédé très prometteur pour réduire les émissions polluantes d'oxyde d'azote. Malheureusement, dans ce mode de combustion, des extinctions locales, sources d'imbrûlés, des intabilités de combustion ou le retour de flamme dans l'injecteur peuvent être occasionnés. Cette étude expérimentale traite des résultats obtenus sur un brûleur transparent pressurisé avec air de combustion préchauffé. Ce brûleur muni d'un injecteur à "swirl" avec "Bluff-Body" génère des conditions représentatives de turbine à gaz. L'objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes qui entraînent la déstabilisation de la flamme et d'une manière générale d'étudier la structure de flamme turbulente de pré-mélange pauvre sous l'influence de la pression et de la température de l'air de combustion dans une configuration proche de la réalité. Une étude de la stabilité et de la structure de la flamme caractérisée par son émission spontanée CH* en fonction des paramètres pression, température de l'air de combustion et richesse met en évidence une influence relativement faible de la pression tandis que la température de l'air joue un rôle prépondérant. L'étude du mélange par Fluorescence induite par plan laser sur de l'acétone montre la présence d'inhomogénéité du mélange à la sortie de l'injecteur. La comparaison avec une flamme obtenue dans le cadre d'un pré-mélange parfait montre que ces inhomogénéités participent à la stabilisation de la flamme. Cette stabilisation s'effectue par le biais d'une zone nommée pied de flamme où la flamme se propage d'un mélange riche vers un mélange pauvre permettant la combustion de mélange globalement plus pauvre. Nous terminons par l'étude en combustion de deux cas instables.
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L'étude des transferts de chaleur et de masse lors de l'évaporation de gouttes en mouvement et en interaction est un domaine complexe à cause des nombreux phénomènes en jeu. Les principaux paramètres influençant l'évaporation ont pu être étudiés indépendamment grâce à l'utilisation de diagnostics optiques de mesure non-intrusifs sur un train de gouttes monodisperse. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs a été développée afin d'obtenir la température moyenne de gouttes de combustible mono et multicomposant. Afin de supprimer l'effet optique parasite engendré par des résonances morphologiquement dépendantes, un absorbeur non fluorescent a été ensemencé à faible concentration. L'évolution de la vitesse et de la taille des gouttes ont été investiguées grâce à une technique par ombroscopie quantitative qui permis la mesure très précise des taux d'évaporation. Une enceinte à haute température a été conçue afin de générer des conditions ambiantes maitrisées et propices à la formation d'une forte évaporation. Ainsi, les nombres de Nusselt et Sherwood ont été déterminés expérimentalement pour plusieurs combustibles dans diverses conditions d'injection. L'étude sur différents combustibles et à différentes températures d'injection a confirmé l'influence de la volatilité du combustible sur les transferts. L'influence du nombre de Reynolds a aussi été mise en évidence. L'étude de gouttes multicomposant a permis de montrer différentes phases d'échauffement et d'évaporation lors du temps de transit de la goutte liées aux différences de volatilité des combustibles du mélange. Les effets de différentes compositions ont aussi été investigués.
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L'étude de l'allumage d'un mélange gazeux combustible/comburant est d'un intérêt fondamental et d'une importance cruciale dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz. Une nouvelle méthode d'allumage, récemment utilisée, consiste à créer une étincelle par focalisation d'un faisceau laser. 'Objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.
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Cette thèse présente le développement de la fluorescence induite par laser (LIF) sur le radical CH, son adaptation et son utilisation dans les flammes laminaires prémélangées et non- prémélangées à contre-courant CH4-air et C3H8-air. En analysant les différents schémas utilisables pour la fluorescence induite par laser, la spectroscopie et les caractéristiques du radical CH, nous avons défini une des stratégies d'excitation/détection la mieux adaptée pour effectuer la mesure de CH dans les flammes étudiées. Un nouveau modèle pour la LIF à trois niveaux sur le radical CH, qui est lié avec la stratégie choisie, est établi. Le choix d'une technique de mesure impliquant trois niveaux électroniques a rendu nécessaire une étude du quenching de CH à pression atmosphérique. Une étude expérimentale préliminaire a été effectuée sur une flamme de diffusion à contre-courant CH4/air pour valider nos choix et la stratégie d'excitation et de détection choisie. Enfin, les mesures de PLIF (fluorescence induite par plan laser) de CH sont présentées. Les résultats expérimentaux sont présentés en comparaison avec les résultats obtenus par les calculs numériques, l'accord entre théorie et expérience est assez bon pour la largeur des profils CH dans les flammes.
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PARTANT DU CONSTAT QU'IL EST TRES IMPORTANT DE CONNAITRE INSTANTANEMENT L'EVOLUTION DE LA RICHESSE DANS LES MOTEURS ACTUELS ; NOUS AVONS DEVELOPPE UNE NOUVELLE APPROCHE DE LA FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER (LIF) APPLIQUEE A LA MESURE DE LA CONCENTRATION DE CARBURANT SUR MOTEUR. LA SELECTION APPROPRIEE DES DIFFERENTS COMPOSANTS OPTIQUES DE CETTE APPLICATION PERMET DE SUIVRE INSTANTANEMENT L'EVOLUTION DU SIGNAL LIF. MAIS L'INTERPRETATION QUANTITATIVE DES DONNEES FOURNIES PAR LA LIF SUR MOTEUR EST RENDUE DELICATE PAR LES SEVERES CONDITIONS DE PRESSION ET DE TEMPERATURES RENCONTREES DANS CET ENVIRONNEMENT PARTICULIER. COMME NOUS L'APPREND LA DESCRIPTION THEORIQUE DU PHENOMENE DE FLUORESCENCE, L'EMISSION FLUORESCENTE DEPEND FORTEMENT ET DE FACON COMPLEXE DES CONDITIONS DE PRESSION, DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION. L'APPLICATION DIRECTE DE CETTE TECHNIQUE SUR MOTEUR, OU L'EVOLUTION DE CES PARAMETRES N'EST PAS CONTROLABLE, N'EST DONC PAS ENVISAGEABLE. NOUS AVONS DONC DEVELOPPE UN BANC EXPERIMENTAL CAPABLE DE RECREER EN PARTIE UN ENVIRONNEMENT SEMBLABLE A CELUI RENCONTRE DANS LES MOTEURS, MAIS OU IL EST POSSIBLE D'EN MODIFIER INDEPENDAMMENT LES CONDITIONS DE PRESSION, DE TEMPERATURE, ET DE CONCENTRATION. L'UTILISATION DES PLANS D'EXPERIENCES POUR LA PLANIFICATION DES ESSAIS ET LE DEPOUILLEMENT DES RESULTATS NOUS A PERMIS D'OBTENIR UNE FONCTION DE TRANSFERT QUI RELIE LE SIGNAL DE FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER AUX PARAMETRES DE RICHESSE, DE PRESSION ET DE TEMPERATURE, ET QUI EXPLIQUE 99% DES VARIATIONS. L'INVERSION DE CETTE FONCTION DE TRANSFERT PERMET D'ESTIMER LA VALEUR DE LA RICHESSE DE L'ECOULEMENT CREE PAR LE BANC STATIONNAIRE AVEC UNE PRECISION DE 2.5%. DES ESSAIS DE MESURE DU SIGNAL LIF A L'ECHAPPEMENT D'UN PETIT MOTEUR DEUX TEMPS EXPERIMENTAL NOUS ONT PERMIS DE VALIDER LE CHOIX DES DIFFERENTS COMPOSANTS OPTIQUES, ET DE CARACTERISER LES PERTES D'HYDROCARBURES PENDANT LA PHASE DE BALAYAGE.
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Cette étude porte sur une flamme turbulente diphasique de laboratoire, plus particulièrement sur le mode de combustion 3P ou LPP : prévaporisée, prémélangée, pauvre. Le dispositif mis au point permet d'étudier les effets de trois paramètres sur la structure de flammes diphasiques turbulentes partiellement prémélangées et prévaporisées d'un mélange pauvre heptane-air : la richesse globale du mélange, le temps de prévaporisation et la granulométrie initiale. L'anémométrie phase Doppler (PDA) a été utilisée pour la caractérisation expérimentale des champs dynamiques et granulométriques de l'écoulement diphasique réactif. Une attention particulière a été apportée à la validation des mesures par PDA. Une étude bibliographique et une série de tests nous ont permis de déterminer la configuration la mieux adaptée à nos conditions expérimentales et de s'assurer ainsi de la fiabilité des résultats. Dans un deuxième temps, la caractérisation des champs scalaires de température et du degré d'avancement de la réaction a été obtenue respectivement à l'aide d'un thermocouple et de la fluorescence induite par un laser (PLIF). Ensuite, nous avons proposé une méthode pour déterminer localement le taux moyen de vaporisation des gouttes à partir des mesures obtenues par PDA. La connaissance simultanée du taux de vaporisation, de la température et du degré d'avancement nous ont donc permis d'étudier le taux de vaporisation moyen local des gouttes d'heptane au sein d'un brouillard en combustion. Le degré d'avancement permettant notamment de comparer entre elles des flammes ayant des hauteurs différentes de par leur richesse. Nous avons pu comparer les taux, d'une part, à ceux obtenus pour une goutte isolée en atmosphère stagnante mais à température élevée, et d'autre part, à ceux obtenus pour une goutte isolée à température ambiante et soumise à une turbulence homogène isotrope. Enfin, nous avons déterminé le régime de combustion diphasique auquel appartient chaque flamme, ce qui nous a permis d'expliquer les résultats sur les taux de vaporisation.
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Cette étude concerne la caractérisation expérimentale de jets et de flammes diphasiques d'hydrocarbures, dans le cadre des recherches sur les systèmes de combustion 3P : prévaporisés, prémélangés et pauvres. La configuration expérimentale utilisée est constituée d'un injecteur assisté par air, d'un tube de prévaporisation et de prémélange transparent et d'un brûleur cylindrique où la flamme est stabilisée par une flamme pilote. Nous avons fait varier de nombreux paramètres durant ce travail à pression atmosphérique : la température de l'air principal, la richesse globale du mélange réactif, la granulométrie initiale du jet diphasique et le combustible liquide utilisé (n-heptane et n-décane). L'anémométrie phase Doppler a été utilisée pour déterminer les caractéristiques de l'écoulement diphasique (taille, vitesse, densité et flux volumique des gouttes) aussi bien dans le jet diphasique que dans la flamme. À partir de ces mesures, nous avons déduit les distributions de tailles de goutte, le degré de prévaporisation du mélange et le taux de vaporisation local. L'imagerie laser par effet Mie nous a permis de visualiser la répartition du combustible liquide dans l'écoulement. Nous en avons déduit la fraction volumique de combustible liquide dans le jet diphasique et dans la flamme. Les résultats indiquent une augmentation du degré de prévaporisation lorsque la température de l'air de prémélange augmente, lorsque la richesse globale du mélange diminue, lorsque le débit d'air d'atomisation augmente et lorsque le combustible liquide est plus volatile. Ces résultats ont pu être expliqués en fonction d'un seul paramètre à savoir le rapport entre le temps de séjour des gouttes dans le tube de prévaporisation et le temps caractéristique de vaporisation de ces gouttes. L'influence du degré de prévaporisation sur les caractéristiques globales des flammes diphasiques étudiées a aussi été mise en évidence.
Author: Anna Maria Pubill Melsio
Author: Anna Maria Pubill Melsio
Author: Josué Reboux
Author: Benoît Taupin
Author: Lionel Perrin
Author: Hazem El-Rabii
Author: Bich Ngoc Tran
Author: Rachid Alexandre Kechabia
Author: WILLIAM.. PERRARD
Author: Yanick Michou
Author: Cécile Pichard