Étude de la formation et de l'oxydation des agrégats de suie dans une flamme prémélangée, stratifiée et et swirlée éthylène/air
Résumé
Les particules de suies sont une des espèces principales agissant au réchauffement climatique et à la dégradation de la santé humaine. Le secteur aéronautique, conscient de cette problématique, agit activement sur la réduction des suies par le développement de nouveaux concepts de systèmes de propulsion plus économes et plus propres. Bien que la plupart des moteurs aéronautiques fonctionne à pression élevée (i.e. turboréacteurs jusqu’à 40 bar), notre compréhension sur la formation et l’oxydation des suies dans ces conditions opératoires reste imparfaite par un manque de données expérimentales et de modèles prédictifs. De ce fait, les objectifs de la présente étude sont d’étudier expérimentalement la formation et l’oxydation des suies dans une flamme de prémélange éthylène/air swirlée et stratifiée en utilisant plusieurs diagnostics lasers développés pour mesurer simultanément les distributions instantanées et spatiales des suies et précurseurs des suies, ainsi que la structure de la flamme et le champ aérodynamique. Le brûleur SIRIUS a été sélectionné de par sa capacité à générer des flammes ayant une topologie similaire à celles produites dans les chambres de combustion aéronautiques. La distribution des particules de suies est mesurée avec le diagnostic de Planar Laser-Induced Incandescence (PLII). La structure de la flamme est obtenue par la détection du radical OH avec la technique de Planar laser-induced fluorescence (PLIF). Un second diagnostic de PLIF est employé pour analyser la production des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) avec la détection des molécules aromatiques de faible noyau benzénique (≤ 2) reconnues comme précurseurs de suies. Enfin, le diagnostic de Particle Image Velocimetry (PIV) est appliqué pour mesurer la distribution spatiale de vitesse. Tous ces diagnostics sont couplés afin d’acquérir des corrélations croisées entre les paramètres scalaires jouant un rôle clé dans le processus de formation/consommation des suies. Les distributions de vitesse, OH, HAP et suies mesurées à pression atmosphérique, puis à 3 bar sont présentés et analysés de manière à proposer un scenario plausible expliquant les zones de genèse, de croissance, d’agrégation et d’oxydation des suies. Ainsi, la zone de production de suies naissantes est située à l’interface de la zone interne de recirculation et de l’écoulement air/combustible suite aux conditions locales de vitesse, concentration d’HAP et taux d’étirement. La partie centrale de la zone interne de recirculation des gaz chauds à faible vitesse, assure des conditions idéales pour agréger les suies naissantes tandis qu’une région d’oxydation située dans la région supérieure de la zone interne de recirculation favorise la consommation des suies. A pression élevée, les mécanismes de formation et oxydation montrent des comportements similaires avec toutefois un processus d’oxydation dans la zone de recirculation interne plus efficace.