Soutenance de thèse blog

Alexis MATYNIAAlexis MATYNIA

Soutenance de ThèseSoutenance de Thèse

mercredi 6 avril 2011mercredi 6 avril 2011

Développement d'un dispositif expérimental pour Développement d'un dispositif expérimental pour

l'analyse de la structure de flammes de l'analyse de la structure de flammes de

prémélanges à haute pression par diagnostic laser : prémélanges à haute pression par diagnostic laser :

Application aux flammes méthane/air et biogaz/airApplication aux flammes méthane/air et biogaz/air

1

Directeur de thèse : Dr. Philippe DAGAUT Co-encadrants : Dr. Laure PILLIER

Dr. Mahmoud IDIR

ContexteContexte

Pénurie des énergiesfossiles

Réchauffement climatique

Développement de sources d'énergie alternatives

Amélioration des systèmes de combustion

Meilleure compréhension des processus de la

combustion

Biomasse (Bois Energie ; Biocarburants ; Biogaz)

Problématique Climat/Energie

2

ContexteContexte

3

Domaines d'application de la combustion du méthane et du biogaz

Applications domestiques- cuisine - chauffage

Carburant pour véhicules

Production d'électricité

Autres

Biogaz / Gaz naturel

≈ 90% CH4

+ C2H6 + C3H8

60% CH4

40% CO2

ContexteContexte

4

Domaines d'application de la combustion du méthane et du biogaz

Applications domestiques- cuisine - chauffage

Carburant pour véhicules

Production d'électricité

Autres Un grand nombre de systèmes de production d'énergie fonctionnent à haute pression

Biogaz / Gaz naturel

≈ 90% CH4

+ C2H6 + C3H8

60% CH4

40% CO2

ContexteContexte

- la cinétique de combustion (réactions pseudo-unimol éculaires / trimoléculaires)La pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que :

A + M P + M A + B + M AB + M

5

Influence de la pression sur la combustion

k∞

k0

fall-off

Pression, P

Co

nst

an

te d

e v

ite

sse

, k

1

- l'épaisseur de flamme- la stabilité

ContexteContexte


La pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que : - la cinétique de combustion (réaction pseudo-unimoléculaires / trimoléculaires)- l'épaisseur de flamme- la stabilité

Basse pression Haute pression

Lorsque la pression augmente : ⇒ Front de flamme plus fin et plus proche du brûleur

6

ContexteContexte



Basse pression Haute pression

7

ContexteContexte

8

Instabilités thermo-diffusives Instabilités hydrodynamiques

Concernent les flammes non équidiffusives Liées aux gradients de densité au travers de la flamme

Law (2006)



Boyer (2006)

ContexteContexte

9

A haute pression

Brûleurs à flamme plate Brûleurs à contre-courants

Bibliographie sur les études de structure de flamme s à haute pression

Front de flamme très proche du brûleurFront de flamme très fin

Desgroux et al. (1992)

Domingues et al. (1993)

Arnold et al. (1997)

Thomsen et al. (1999)

(…)

Sun et al.(1996)


Attal-Trétout et al. (1990)

ContexteContexte

10

A haute pression



Front de flamme très proche du brûleurFront de flamme très fin

Diagnostics optiques





(…)

Sun et al.(1996)



ContexteContexte

11

A haute pression



Front de flamme très proche du brûleur

Brûleurs à contre-courants

Front de flamme très fin

Diagnostics optiques





(…)

Sun et al.(1996)



ContexteContexte

Démarche de la thèse

12

Constat Très peu d'études de structure de flammes à haute pressionManque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar)

ContexteContexte


13


Développer et valider un nouveau dispositif expérim ental pour la mesure de la structure de flammes à des pressions supérieures où égales à la pression atmosphérique

Objectif

ContexteContexte


14

Dispositif - Brûleurs à contre-courants- Enceinte haute pression- Diagnostics optiques



Objectif

ContexteContexte


15


Approche Mesures quantitatives de profils de OH par Fluorescence Induite par Laser / absorption laser / Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF)



Objectif

Radical OH

Espèce centrale dans la chimie de combustion des hydrocarbures

Base de données spectroscopiques disponible dans la littérature

ContexteContexte


16


Approche Mesures quantitatives de profils de OH par Fluorescence Induite par Laser / absorption laser / Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF)



Objectif

+ comparaison expérience / modélisation

17

PlanPlan

I. Dispositif expérimental

II. Mesures de OH par diagnostics laser

III. Présentation des résultats et comparaison à la modélisation

18

PlanPlan

Enceinte haute pression Brûleurs à contre-courants Synthèse des flammes stabilisées




I. Dispositif expérimentalI. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model.

Enceinte haute pression

19

Alimentation en gazCircuits électriques

Capteur de pression

Vanne de régulation

Accès optiques Brûleurs à contre-courants

Système de déplacement des

brûleurs

Volume intérieur : 40 L Pression maximale de travail : 60 bars


Enceinte haute pression

20

Alimentation en gazCircuits électriques

Capteur de pression

Vanne de régulation

Accès optiques Brûleurs à contre-courants

Système de déplacement des

brûleurs

Volume intérieur : 40 L Pression maximale de travail : 60 bars


Brûleurs à contre-courants

Poreux

Gaine de refroidissement

Garde d'azote

Buse convergente

Prémélange

EauGarde d'azote

Prémélange

D

L

21

D = 7 mmL = 10 mm

L/D=1,4

22

Flammes CH 4/air

0,7 1 1,2

0,1 MPa

0,3 MPa

0,5 MPa

0,7 MPa

ΦP

1 cm

Flammes CH 4/air Flammes CH 4/CO2/air

1,3 0,7 1

1 cm

Synthèse des flammes stabilisées

1

ba

rs

1 bar

3 bars

5 bars

7 bars

23

Flammes CH 4/air

0,7 1 1,2

0,1 MPa

0,3 MPa

0,5 MPa

0,7 MPa

ΦP

1 cm

Flammes CH 4/air Flammes CH 4/CO2/air

1,3 0,7 1

1 cm

Synthèse des flammes stabilisées

1

ba

rs

1 bar

3 bars

5 bars

7 bars

CH4/air Φ=1 P=3bars

1 cm

24



Mesures des profils relatifs de OH par FIL Calibration des mesures en concentration absolue


PlanPlan

FIL OH Calibration

25

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2

J = 1

J = X.....

Laser

Principe

Mesure des profils relatifs de OH

I. Dispositif expérimental II. Mesures de OHII. Mesures de OH III. Exp/model.

FIL OH Calibration

26

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2

J = 1

J = X.....

Laser

Principe



FIL OH Calibration

27

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2 Excitation

J = 1

J = X.....

Laser

Principe



FIL OH Calibration

28

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2 Excitation

J = 1

J = X.....

RET

Laser

Principe


Rotational Energy Transfer


FIL OH Calibration

29

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2 Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

Laser

Principe


Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer


FIL OH Calibration

30

flammeX2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2Emission stimuléeExcitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

Laser

Principe




FIL OH Calibration

31

flamme

Emission spontanée : FLUORESCENCE

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2Emission stimuléeExcitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser

Principe




FIL OH Calibration

32

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1

ν''=2Emission stimulée

Collisions => Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser

Principe




FIL OH Calibration

33

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1


Collisions => Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser

Le signal de fluorescence est proportionnel à la de nsité de population de l'espèce ciblée

Principe




FIL OH Calibration

34

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1


Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser


Principe

Fluorescence Induite par Laser à haute pression

Milieu dense



FIL OH Calibration

35

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1


Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser


Principe


Milieu dense

Phénomènes d'absorption importants

< 3

cm



FIL OH Calibration

36

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1


Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser


Principe


Milieu dense


Phénomènes collisionnels importants

< 3

cm



FIL OH Calibration

37

flamme


X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1

ν'=2

ν''=0

ν''=1


Quenching

Excitation

VET

J = 1

J = X.....

RET

FLUORESCENCE

Laser


Principe


Milieu dense


Phénomènes collisionnels importants

< 3

cm

Spectroscopie plus complexe



FIL OH Calibration

38

Grandeur Détermination

Expérienceϕ(t)

Interprétation du signal de fluorescence

38



FIL OH Calibration

39


Expérienceϕ(t)

Coefficient d'Einstein d'absorption

LittératureBJ''J'


39



FIL OH Calibration

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 100 200 300 400 500

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

Energie laser (µJ)

Régime linéaire


U Expérience

Expérienceϕ(t)

LittératureBJ''J'


40

Densité d'énergie laser

CH4/air Φ = 0,7 P = 1bar



FIL OH Calibration


Recouvrement spectral

U Expérience

Calculg(ΦΦΦΦlas,ΦΦΦΦabs)

Expérienceϕ(t)

LittératureBJ''J'


41



FIL OH Calibration

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1ν'=2

ν''=0

ν''=1ν''=2

Quenching

J = 1

J = X.....

VET RET


ΣA

J'J"

ΣQ

J'J"


Rendement quantique de fluorescence

U Expérience


Expérienceϕ(t)

LittératureAJ'J''

CalculQJ'J''

LittératureBJ''J'


42



FIL OH Calibration

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1ν'=2

ν''=0

ν''=1ν''=2

Quenching

J = 1

J = X.....

VET RET


ΣA

J'J"

ΣQ

J'J"


Fraction de Boltzmann

U Expérience


Expérienceϕ(t)

LittératureAJ'J''

CalculFb

CalculQJ'J''

LittératureBJ''J'


NJ"43



FIL OH Calibration


Paramètres propres au dispositif de collection

U Expérience

Expérience / calibration

G.Ω.V4π


Expérienceϕ(t)

LittératureAJ'J''

CalculFb

CalculQJ'J''

LittératureBJ''J'


44



FIL OH Calibration


U Expérience

Expérience / calibration

G.Ω.V4π


Expérienceϕ(t)

LittératureAJ'J''

CalculFb

CalculQJ'J''

LittératureBJ''J'


45


Calculs très complexes …

données spectroscopiques

profils de température et de

concentration des espèces

collisionnelles


FIL OH Calibration

46

Influence des différents paramètres sur la forme des profils

2 approches

Expérimentale Modélisation



FIL OH Calibration

47

Corriger le signal de fluorescence des trois paramètres pour obtenir la population relative de OH


2 approches




FIL OH Calibration

48


(!) Problème : profils de température et d'espèces majoritaires nécessaires aux calculs de 3 paramètres non disponibles


2 approches




FIL OH Calibration

49



Multiplier la densité de population de OH par les trois paramètres pour obtenir le signal de fluorescence


2 approches




FIL OH Calibration

50



Multiplier la densité de population de OH par les trois paramètres pour obtenir le signal de fluorescence

Approche suivie


2 approches




FIL OH Calibration

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

NO

Hno

rmal

isé

ϕϕ ϕϕ(t

)/U

no

rmal

isé

Distance par rapport au brûleur du bas (cm)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

NO

Hn

orm

alis

éϕϕ ϕϕ

(t)/

U n

orm

alis

é


51

―― NOH normalisé ―― ϕ(t)/U normalisé

CH4/airΦ=0,71 bar

CH4/airΦ=0,79 bars

Très faible influence des paramètres Variation spatiale des paramètres négligeable pour une condition de flamme donnée

(i.e. température de flamme / pression)

Evaluation (par modélisation, OPPDIF, GRI3.0) de l'influence des trois paramètres

Profil de signal de fluorescence ϕ(t)/U superposé au profil de NOH

Paramètres



FIL OH Calibration

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

NO

Hno

rmal

isé

ϕϕ ϕϕ(t

)/U

no

rmal

isé


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

NO

Hn

orm

alis

éϕϕ ϕϕ

(t)/

U n

orm

alis

é


52

―― NOH normalisé ―― ϕ(t)/U normalisé

CH4/airΦ=0,71 bar

CH4/airΦ=0,79 bars

Très faible influence des paramètres Variation spatiale des paramètres négligeable pour une condition de flamme donnée

(i.e. température de flamme / pression)

Calibration de chaque flamme par absorption laser / PLIF

Evaluation (par modélisation, OPPDIF, GRI3.0) de l'influence des trois paramètres

Profil de signal de fluorescence ϕ(t)/U superposé au profil de NOH

Paramètres



FIL OH Calibration

A-X(0,0)

A-X(1,1)

A-X(1,0)

Spectre d'absorption de OH à P=1 bar et T=2000 K (simulation LIFBase)

La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0)

Schéma d'excitation / détection

53

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1ν'=2

ν''=0

ν''=1ν''=2

A-X

(0,0)

A-X

(1,0)

A-X

(1,1)



FIL OH Calibration

54

Fraction de Boltzmann calculée pour le niveau X2Π, ν"=0 pour des raies de type 1

La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0)

Le niveau rotationnel N''=7 a été choisi car sa fraction de Boltzmann est peu dépendante de la température (variation de 10% entre 1000 et 2000 K)


0E+00

1E-02

2E-02

3E-02

4E-02

5E-02

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Fra

ctio

n de

Bol

tzm

ann

Température (K)

N''=5

N''=6

N''=7

N''=8

N''=9

N''=10

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1ν'=2

ν''=0

ν''=1ν''=2

N''=7

A-X

(1,0)



FIL OH Calibration

55

La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0).

Le niveau rotationnel N''=7 a été choisi car sa fraction de Boltzmann est peu dépendante de la température (variation de 10% entre 1000 et 2000 K)

La raie P1(7) a été choisie car elle est intense et relativement bien isolée

Spectre d'excitation de OH à P=1 bar et T=2000 K (simulation LIFBase)

Schéma d'excitation / détectionR

1(7)

Q1(

7)

P1(

7)

X2Π

A2Σ+

ν'=0

ν'=1ν'=2

ν''=0

ν''=1ν''=2

N''=7

A-X

(1,0)

Q1 (7)

R1 (7)

P1 (7)



FIL OH Calibration

56

Spectre de fluorescence de OH expérimental observé dans une flamme CH4/air Φ=0,7, P=1 bar et T=1800 K


A-X (0,0)

A-X (1,1)

Détection en bande large : Tout le signal de fluorescence est collecté

X2Π

A2Σ+

A-X (1,1) A-X (0,0)



FIL OH Calibration

57



A-X (0,0)

A-X (1,1)


X2Π

A2Σ+

A-X (1,1) A-X (0,0)

RETVET



FIL OH Calibration

58



A-X (0,0)

A-X (1,1)


X2Π

A2Σ+

A-X (1,1) A-X (0,0)

RETVET



FIL OH Calibration

59

Dispositif expérimental

PM

Filtre passe bande

A-X(0,0) + A-X(1,1)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40

Inte

nsité

du

sign

al (

u.a.

)

Temps (ns)

―― Laser

―― Fluorescence


Fente d'entrée


FIL OH Calibration

60


PM

Filtre passe bande

A-X(0,0) + A-X(1,1)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40

Inte

nsité

du

sign

al (

u.a.

)

Temps (ns)

―― Laser

―― Fluorescence


Fente d'entrée

Résolution spatiale : - 100 µm en hauteur- 4 mm en largeur


FIL OH Calibration

61

Acquisition des données



FIL OH Calibration

62


0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e

Position par rapport au brûleur du bas (cm)

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

Sens 1



FIL OH Calibration

63


0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

Sens 1

Sens 2



FIL OH Calibration

64


0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


Moyenne

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a.)

Sens 1

Sens 2



FIL OH Calibration

65

Exemples de résultats

0

20

40

60

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


0

20

40

60

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


0

20

40

60

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e


0

20

40

60

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Sig

nal d

e flu

ore

scen

ce


CH4/airΦ = 0,71 bar

CH4/airΦ = 0,73 bars



Sens 1 Sens 2

ϕϕ ϕϕ(t

)/U

(u.a

.)

ϕϕ ϕϕ(t

)/U

(u.a

.)ϕϕ ϕϕ

(t)/

U (u

.a.)

ϕϕ ϕϕ(t

)/U

(u.a

.)



FIL OH Calibration

Paramètre Détermination

66

Mesures par absorption laser

Loi de Beer-Lambert :

Principe

Calibration des mesures de OH

I

I0

Flammelaser

laser


FIL OH Calibration


67



Principe

Absorption laser


I

I0

Flammelaser

laser


FIL OH Calibration


68



Principe

Absorption laser

PLIFllll

llll


I

I0

Flammelaser

laser


FIL OH Calibration


69



Principe

Absorption laser

PLIFllll

Littératureσ(ν)

llll


I

I0

Flammelaser

laser


FIL OH Calibration

70

Laser Nd : YAGLaser à colorant

WEX

Lentille demi-cylindrique, f=500 mm

Caméra ICCD

Brûleurs

Atténuateur

Filtre UG11Filtre WG295

PulseurObjectif

Régime linéaire de fluorescence (E<400mJ)

Excitation : P1(7), A-X(1,0) Collection : A-X(0,0) + A-X (1,1)Hauteur de la nappe : ≈ 6 mm


Détermination de la longueur du milieu absorbant par PLIF


FIL OH Calibration

71

Correction du signal de fluorescence

Mesure par diffusion Rayleigh dans l'enceinte remplie d'azote à 10 bars

Prise en compte de l'énergie laser

Nappe laser

Traitement des images



FIL OH Calibration

72

Détermination de la longueur d'absorption

0 10 20 30 40 50 60

[OH

]

(mm)

Zone de mesure

C0 Profil radial



FIL OH Calibration

73

Longueurs d’absorption (mm) Pression (bar)

Mélange Richesse 1 3 5 7

CH4/air

0,7 18,5 18,6 18,9 19,6

1 24,7 32,5 ― ―

1,2 18,2 21,3 23,9 ―

CH4/CO2/air0,7 17,1 17,2 17,1 ―

1 24,3 25,4 24,9 ―

Incertitude : ± 6%

Longueurs d'absorption



FIL OH Calibration

74

Raie ciblée : Q1(8) de la bande A-X(0,0) (λ = 309,24 nm)

Mesures réalisées dans les gaz brûlés entre les flammes

0,E+00

2,E-03

4,E-03

6,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Mesure de OH par absorption

Mesures expérimentales


FIL OH Calibration

75

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

9,7006E+14 9,7010E+14 9,7014E+14 9,7018E+14

Tra

nsm

ittan

ce

Fréquence (s -1)

Mesures expérimentales

I

I0

CH4/airΦ = 0,71 bar

A


Flammelaser

laser


FIL OH Calibration

76

Résultats expérimentaux dans les gaz brûlés

Incertitude : ± 21% à 1 bar± 27% à haute pression

P(bar) X(OH)

CH4/air ΦΦΦΦ = 0,7

1 2,9E-033 1,2E-035 5,0E-047 4,0E-04

CH4/air ΦΦΦΦ = 1

1 4,0E-033 2,2E-03


1 2,3E-033 7,1E-045 2,5E-04

CH4/CO2/airΦΦΦΦ = 0,7

1 2,1E-033 1,1E-035 6,9E-04

CH4/CO2/air ΦΦΦΦ = 1

1 2,7E-033 2,3E-035 1,2E-03



FIL OH Calibration

P(bar) X(OH)

Brûleur à flamme plate

X(OH)


X(OH)


X(OH)

Biet et al. (2007)


1 2,9E-03 2,0E-03 3,2E-033 1,2E-03 min max5 5,0E-047 4,0E-04 min max min max


1 4,0E-03 2,0E-03 3,7E-03 2,7E-03 5,5E-033 2,2E-03 7,5E-04 1,7E-03


1 2,3E-033 7,1E-045 2,5E-04


1 2,1E-033 1,1E-035 6,9E-04


1 2,7E-033 2,3E-035 1,2E-03

77

Résultats expérimentaux dans les gaz brûlés

Incertitude : ± 21% à 1 bar± 27% à haute pression

Cohérence entre les mesures

P(bar) X(OH)


1 2,9E-033 1,2E-035 5,0E-047 4,0E-04


1 4,0E-033 2,2E-03


1 2,3E-033 7,1E-045 2,5E-04


1 2,1E-033 1,1E-035 6,9E-04


1 2,7E-033 2,3E-035 1,2E-03


min

max



FIL OH Calibration

78

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

[OH

] rel

atif

Distance au brûleur du bas (cm)

Signal moyenné

X(OH)=2,9.10-3

Résultats expérimentaux

0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

X(O

H)

Distance au brûleur du bas (cm)


79

PlanPlan




Flammes CH4/air Flammes CH4/CO2/air Conclusions

I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. III. ExpExp/model./model.

80

Modélisation

Comparaison expérience/modélisation

Code de calcul : OPPDIF (hyp. adiabaticité)

Mécanismes : - GRI-Mech3.0 325 réactions, 53 espèces- GDFKin®3.0_NCN 883 réactions, 119 espèces


81

Flammes CH4/air

Légende : Expérience---- GRI-Mech 3.0――GDFKin®3.0_NCN


0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

5,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 0,7 P = 3 bars

0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

5,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ= 0,7 P = 1 bar

0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 0,7 P = 5 bars

0,E+00

1,E-03

2,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 0,7 P = 7 bars

Forme des profils : très bon accord

Position des fronts de flamme : bon accord

Fraction molaire de OH : bon accord


82

Flammes CH4/air



0,E+00

2,E-03

4,E-03

6,E-03

8,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1 P = 1 bar

Forme des profils : bon accord

Position des fronts de flamme : bon accord à 1 barléger écart à 3 bars

Fraction molaire de OH : surestimation des modèles à 1 et 3 bars

0,E+00

2,E-03

4,E-03

6,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1 P = 3 bars


83

Flammes CH4/air



0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1,2 P = 1 bar

0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1,2 P = 3 bars

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1,2 P = 5 bars


Position des fronts de flamme : accord moyen

Fraction molaire de OH : légère surestimation à 1 barbon accord à 3 et 5 bars


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 1,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ = 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 0,7

84

Flammes CH4/air



Mesures dans les gaz brûlés


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 1,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ = 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 0,7

85

Flammes CH4/air


Bon accord expérience/modélisation




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 1,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ = 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ = 0,7

86

Flammes CH4/air


Bon accord expérience/modélisation

Disparité importante des données de la littérature

Attal-Trétout et al. (1990) Desgroux et al. (1992) Arnold et al. (1997)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ = 1




87

Flammes CH4/CO2/air



0E+00

1E-03

2E-03

3E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)

Distance par rapport au brûleur du bas (mm)

Φ = 0,7 P = 1 bar

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

2,5E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ= 0,7 P = 3 bars

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

2,5E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)

Distance par rapport au brûleur du bas (mm)

Φ = 0,7 P = 5 bars


Position des fronts de flamme : mauvais accord

Fraction molaire de OH : légère surestimation à 1 barbon accord à 3 et 5 bars




88

Flammes CH4/CO2/air



0,E+00

2,E-03

4,E-03

6,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1 P = 1 bar

0,E+00

2,E-03

4,E-03

6,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ = 1 P = 3 bars

0,E+00

1,E-03

2,E-03

3,E-03

4,E-03

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X(O

H)


Φ= 1 P = 5 bars

Forme des profils : très bon accord

Position des fronts de flamme : très bon accord

Fraction molaire de OH : surestimation à 1 bartrès bon accord à 3 et 5 bars


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ= 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ= 0,7

89

Flammes CH4/CO2/air





0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7X

(OH

)(P

) / X

(OH

(1ba

r)

Pression (bar)

Φ= 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 3 5 7

X(O

H)(

P) /

X(O

H(1

bar)

Pression (bar)

Φ= 0,7

90

Accord moyen entre l’expérience et la modélisation

Flammes CH4/CO2/air





91

Conclusions

Bonne simulation de la forme des profils

Surestimation de la fraction molaire de OH par les modèles à 1 barAccord satisfaisant à haute pression

Résultats très prometteurs

Quelques efforts restent à fournir pour prédire de manière précise

l'évolution de la concentration de OH le long d'une flamme


Bonne reproduction de l'évolution de la concentration de OH à haute pression pour les flammes CH4/air. Accord moyen pour les flammes CH4/CO2/air.

ConclusionsConclusions

92

Développement et validation d'un nouveau dispositif expérimental pour l'analyse de la structure de flammes à haute p ression

Mesures quantitatives de OH dans des flammes à haute pression

⇒ Profils relatifs par FIL Analyse de l'influence des variations de recouvrement spectral, rendement quantique et fraction de Boltzmann

⇒ Calibration de chaque flamme par absorption/PLIF

Bonne résolution spatiale, Bonne répétabilité des mesures

Incertitudes ≈ 30%


⇒ Mécanismes GRI-Mech3.0 et GDFKin®3.0_NCN

⇒Accords satisfaisants

20 flammes stabilisées

CH4/air et CH4/CO2/air Φ=0,7–1,2 P=1–7bars

Travaux en cours et à venir / PerspectivesTravaux en cours et à venir / Perspectives

93

Etude de la formation de NO dans les flammes à haut e pression

Mesures de NO et CH dans des flammes CH4/air (formation prompt NO) par diagnostic laser

Mesures des espèces majoritaires et de la températu re par diffusion Raman

Apport de nouvelles données pour l'évaluation des mécanismes cinétiques à haute pression

Apport de données expérimentales pour le calcul des paramètres de recouvrement spectral, de rendement quantique et fraction de Boltzmann

Etude à des pressions plus élevées / avec des hydro carbures plus lourds

Merci de votre

attention

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