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Thèse présentée à

Université de Rouen

Par

Edouard DELANGLE

Soutenue le 15 octobre 2015

Analyse expérimentale de combustion globalement pauvre : effet d’une stratification sur la propagation de flammes vers des mélanges ininflammables
Jury Rapporteur
Christine ROUSSELLE, Professeur à l’Université d’Orléans, Laboratoire PRISME
Marc BELLENOUE, Professeur à l’Université de Poitiers, Institut Pprime, ENSMA
Examinateur
Céline MORIN, Professeur à l’Université de Valenciennes
Stéphane JAY, Ingénieur de recherche IFPEN
Vincent MOUREAU, Chargé de recherche CNRS, CORIA, Rouen
Directrice de Thèse
Armelle CESSOU, Directrice de recherche CNRS, CORIA, Rouen
Co-encadrant de Thèse
Bertrand LECORDIER, Chargé de recherche CNRS, CORIA, Rouen
Invité
Frédéric RAVET, Ingénieur expert Renault

La combustion partiellement prémélangée est envisagée dans de nombreuses applications industrielles pour augmenter leur efficacité énergétique et réduire les émissions polluantes. Pour le moteur à combustion interne, l’injection directe essence (IDE) en régime de combustion stratifiée est une voie intéressante pour diminuer la consommation des moteurs à essence aux faibles charges. Cependant, la propagation à travers une stratification de richesse soumet la flamme à une plus grande variété de phénomènes que dans les mélanges homogènes. A ce jour, il est encore difficile de prévoir le comportement d’une flamme se propageant dans un gradient de richesse. En effet les propriétés locales de la flamme vont dépendre de la richesse locale, de la richesse au point d’allumage et de la distribution du champ de richesse traversée par la flamme, paramètres influençant la composition et la température des gaz brûlés.
Le but de ce travail est d’étudier des flammes allumées par étincelle se propageant à travers différentes stratifications en richesse jusqu’à des mélanges ininflammables. Des systèmes d’injection originaux ont permis de générer plusieurs stratifications laminaires ou turbulentes au sein d’une chambre de combustion. Afin d’étudier la propagation de la flamme, nous avons mis en œuvre 3 diagnostics lasers simultanés : la PIV pour les mesures de vitesses, la PLIF de l’anisole pour déterminer la richesse locale du mélange, et la PLIF du radical OH pour identifier les zones de réactions vives de la flamme lorsque celle-ci atteint un mélange ininflammable. Ces diagnostics sont calibrés spatialement avec précision afin de superposer les trois mesures et de mener ainsi une analyse locale sur le développement de la flamme.
Nous avons mis en évidence que la propagation de la flamme dans un mélange pauvre est favorisée de façon plus importante pour des richesses d’allumage plus élevées. Dans cette situation, on constate une augmentation de la vitesse de propagation de la flamme, une plus grande résistance à l’étirement et une extension des limites d’inflammabilité, comparativement à un mélange homogène équivalent.

Abstract

The partially premixed combustion is envisaged in many industrial applications in order to improve their efficiency and to reduce pollutant emissions. For instance, this type of combustion is considered in direct-injection spark-ignited (DISI) car engines to limit the fuel consumption in low load regimes. However, flames propagation through a stratified mixture leads to different mechanisms of combustion compared to homogenous cases. At present, the prediction of flame propagation through a gradient of equivalence ratio is not straightforward due to the memory effect. Indeed, the local flame properties depend on mixtures close to the flame front and from ignition point, and the equivalence ratio gradient encountered by the flame, which can modify the composition and temperature of the burnt gases.
The purpose of this work is to investigate flames propagating through mixture layers with different magnitudes of gradient and to extend this analysis to lean non-flammable conditions. Original injections systems generate laminar or turbulent stratifications of equivalence ratio in a combustion vessel. In order to investigate flame propagation, three laser diagnostics are combined simultaneously : PIV for the aerodynamics properties, anisole-PLIF to determine the local equivalence ratio, and OH-PLIF to identify if the flame is locally propagating or not. These diagnostics are spatially calibrated with high accuracy to allow a perfect overlap of the measured data in order to carry local analysis on flame development.
The flame propagating in a lean mixture is back-supported a longer time for ignition in the richer conditions. In those conditions, an increasing of flame speed, a better resistance to stretch rate and the expansion of the lean flammability limits compared to equivalent homogenous mixture are measured.

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