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Doctorant en « Caractérisation expérimentale par diagnostics optiques des mécanismes de stabilisation de flamme par plasma pour les moteurs d'avion et les turbines à gaz »(H/F)

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Informations générales

Référence : UPR288-BRILLO-008
Lieu de travail : GIF SUR YVETTE
Date de publication : vendredi 5 octobre 2018
Nom du responsable scientifique : LAUX CHRISTOPHE
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2018
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La réduction des émissions polluantes dans les moteurs d'avion et les turbines à gaz est un enjeu majeur pour l'industrie en raison de normes environnementales contraignantes. Une solution efficace pour réduire la formation des Nox est de maintenir une température de flamme relativement basse, ce qui peut être obtenu en utilisant des prémélanges pauvres en carburant. Cependant, une température de flamme trop basse peut réduire l'efficacité de combustion et augmenter les émissions de CO et d'hydrocarbures imbrûlés (CHx). De plus, des instabilités de flamme, voire son extinction, peuvent se produire lorsque le régime de fonctionnement est proche de la limite d'extinction pauvre. Obtenir à la fois des flammes stables, une bonne efficacité de combustion et une réduction des émissions polluantes est un enjeu important pour les nouvelles technologies de combustion.

Des travaux antérieurs au laboratoire EM2C ont permis de démontrer que des flammes prémélangées pauvres peuvent être stabilisées efficacement par un dépôt d'énergie au moyen de décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) (Pilla et al. 2006). Ces décharges plasma produisent une augmentation localisée de la densité d'espèces actives et de la température (Pilla et al. 2006, Rusterholtz et al., 2013). La figure 1 montre l'émission spontanée de radicaux OH produits dans une flamme prémélangée propane-air pauvre. Sans plasma (Figure1 gauche),la zone de réaction est limitée spatialement et se trouve confinée à la zone de recirculation située au voisinage de l'accroche-flamme. De plus, la flamme est instable. En appliquant une décharge NRP dans la zone de recirculation, l'activité chimique de la flamme est intensifiée (Figure 1, droite). La température de flamme reste basse, néanmoins l'efficacité de combustion est améliorée et la production de CO et de CHx est fortement diminuée.

Une stabilisation de flammes pauvres par plasma a aussi été obtenue récemment sur les brûleurs à plus grande échelle, permettant de réduire de près d'un facteur 4 la limite d'extinction pauvre d'une flamme propane-air prémélangée de 75 kW à la pression atmosphérique (Barbosa et al. 2015), ainsi que d'une flamme produite par un injecteur aérodynamique de 200 kW avec un mélange kérosène air à 3 bar (Heid et al. 2009).

Dans tous ces exemples, il est important de noter que la stabilisation a été obtenue avec une décharge plasma d'une puissance inférieure à 1% de la puissance développée par la flamme. La haute efficacité de la stabilisation par plasma est due au fait que l'énergie de la décharge électrique sert principalement à créer des particules actives (ions, espèces excitées, radicaux), plutôt qu'à juste chauffer le gaz. Par exemple, la décharge excite des molécules d'azote vers des états électroniques avec suffisamment d'énergie pour dissocier l'oxygène moléculaire, produisant ainsi en quelques nanosecondes une densité importante de radicaux d'oxygène atomique dans le canal de la décharge. Pour des conditions typiques, une dissociation quasi complète de l'oxygène est obtenue (Rusterholtz et al. 2013, Lo et al. 2014,). Cette forte concentration de radicaux a un effet bénéfique sur la stabilisation de la flamme (Pilla et al. 2006, Castela et al. 2016). Cependant, l'importance relative des effets thermiques et chimiques du plasma n'est pas encore établie.
L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de stabilisation par les décharges nanosecondes, and plus particulièrement de comprendre l'importance relative des effets thermiques et chimiques induits par le plasma. Pour cela, des mesures 2D de la concentration de radicaux et du champ de température seront réalisées au moyen de diagnostics avancés (diagnostics lasers et spectroscopie) sur deux configurations expérimentales de laboratoire :
• Le banc MINI-PAC (15 kW), qui crée des flammes propane-air légèrement turbulentes : les expériences menées par Pilla et al. (2006) ont démontré que ces flammes peuvent être efficacement stabililisées lorsqu'une décharge NRP est produite dans la zone de recirculation, partiellement composée de gaz brulés, située juste au-dessus de l'accroche flamme.
• Le banc BIMER (50 kW), un foyer confiné à injection swirlée, fortement turbulent, et représentatif des foyers aéronautiques. Le banc BIMER peut être alimenté en propane (Barbosa et al. 2009) ou en dodecane liquide, un combustible représentatif du kérosène (Renaud et al. 2015). Des expériences passées ont démontré que le plasma améliore la stabilité des flammes propane-air, avec un abaissement de la limite d'extinction pauvre de plus d'un facteur 4. (Barbosa et al. 2015).
Ces deux brûleurs de laboratoire sont représentatifs des systèmes de combustion turbulente industriels. La compréhension de leur fonctionnement ouvrira la voie à l'application des décharges plasmas sur des foyers industriels à grande échelle. Les mesures seront ensuite comparées aux résultats obtenus par les simulations numériques réalisées en parallèle par un autre doctorant du laboratoire EM2C, sur la base d'un modèle développé précédemment au laboratoire EM2C (Castela et al., 2016). Nous bénéficierons également d'une collaboration avec d'autres groupes de simulation numérique (CERFACS and TURBOMECA). La comparaison des mesures aux simulations permettra de mieux comprendre les mécanismes d'interaction plasma-flamme.

Une partie importante de la thèse sera consacrée à l'implémentation et à la réalisation de diagnostics optiques non-intrusifs pour caractériser le mécanisme de stabilisation par plasma en déterminant la distribution spatiale des espèces produites (radicaux, produits de combustions, imbrûlés, polluants, …), du champ de température et de vitesses dans les brûleurs. Pour ceci, des diagnostics optiques avancés seront utilisés, comme la spectroscopie d'émission quantitative, la fluorescence induite par laser à un ou deux photons, l'absorption infrarouge par diode laser ou laser à cascade quantique, la vélocimétrie laser, ou encore la strioscopie (Schlieren). Le laboratoire est entièrement équipé pour ces techniques et possède une grande expérience dans leur mise en œuvre

Contexte de travail

Ce travail est financé par le projet ANR PASTEC. Le doctorant travaillera avec l'équipe Plasma Hors Equilibre et l'équipe Combustion du laboratoire EM2C. Il aura accès à l'équipement expérimental nécessaire aux études envisagées. Il travaillera en étroite collaboration avec les autres étudiants et permanents des équipes plasma et combustion du laboratoire EM2C, aussi bien au niveau des expériences que des simulations., ainsi qu'avec les laboratoires partenaires du projet (CORIA, CERFACS, SAFRAN-HE).

Contraintes et risques

NC

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