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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Discipline : Énergétique
Spécialité : Mécanique des Fluides

Par

Pierre BENARD

Soutenue le 8 octobre 2015

Analyse et amélioration d’une chambre de combustion centimétrique par simulations aux grandes échelles
Jury

Rapporteurs
Nasser Darabiha, Professeur, EM2C, Ecole Centrale Paris
Arnaud Mura, Directeur de Recherche CNRS, PPRIME, ENSMA Poitiers

Examinateurs
Xue-Song Bai, Professeur, Université de Lund (Suède)
Fabio Cozzi, Assistant Professor, Politecnico di Milano (Italie)
Vincent Giovangigli, Directeur de Recherche CNRS, CMAP, Ecole Polytechnique Paris
Christophe Goupil, Professeur, LIED, Université Paris Diderot

Directeurs de thèse
Yves D’Angelo, Professeur, CORIA, INSA de Rouen
Vincent Moureau, Chargé de Recherche CNRS, CORIA, INSA de Rouen

La combustion à petite échelle est une voie de recherche pour remplacer les batteries chimiques dans les applications mécaniques et électroniques miniaturisées (drones, micro-satellites…). Cependant, réaliser un système de combustion dont la taille est proche de la distance de coincement de la flamme reste un challenge. L’augmentation du rapport surface/volume favorise les pertes thermiques, contribue à la diminution du temps de séjour et limite la turbulence. L’ensemble de ces effets peut mener à une combustion incomplète, ce qui entraîne une baisse de rendement et une production importante de polluants.
Le premier objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques intervenant dans un brûleur centimétrique tourbillonnaire cubique de 8x10x8 mm^3. L’écoulement réactif méthane/air est étudié au moyen de simulations numériques LES et d’une approche de chimie complexe qui ont été développés au cours de cette thèse. La combustion a principalement lieu en régime de prémélange mais sans consommer l’intégralité du carburant, entrainant un rendement de combustion de l’ordre de 50% et d’importantes émissions de CO et d’imbrûlés.
Le deuxième objectif est d’adapter au mieux les performances de ce brûleur en modifiant le point de fonctionnement ou la géométrie. Une étude de l’enrichissement en hydrogène du mélange de carburant a montré une amélioration sensible du rendement et une réduction des émissions polluantes. Néanmoins, un enrichissement trop important en H2 modifie la topologie de la flamme et dégrade fortement les performances. Plusieurs configurations géométriques de la chambre ont aussi été étudiées, ce qui a permis de dégager des axes d’améliorations possibles.

Meso-scale combustion appears as a promising way to replace chemical batteries in small-scale mechanical and electronical applications (drones, microsatellites, laptops, cell phones…). However, designing such small-scale systems may require combustion chambers of size close to the flame quenching distance. It hence still remains a challenging scientific and technogical issue. Increasing the surface-to-volume ratio promotes wall heat losses, reduces the residence time and turbulence intensity. All these combined effects ad their interactions may lead to incomplete combustion and important pollutants emissions.
The main objective of this thesis is to understand the physical phenomena involved in the centimetre-sized asymmetric whirl cubic burner of 8x10x8 mm^3. The methane/air reactive flow is studied using detailed Large-Eddy Simulations coupled with complex chemistry Arrhenius modeling (both numerical strategies were implemented during the thesis). While fuel & air are injected separately, combustion takes place in the premixed regime. However combustion is far from being complete, causing low combustion efficiency ( 50%) and significant emissions of CO and unburned hydrocarbons.
The second objective is to adapt in the best possible way the performances of this burner by changing the operating conditions or the geometry. Hydrogen enrichment of the fuel mixture showed significant efficiency enhancement and reduced pollutant emissions. However, excess H2 can modify the flame topology and significantly weaken performances. Several other combustor geometries are also studied, paving the way for future improvement.

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