Etude physico-chimique des mécanismes précurseurs à l’allumage des chambres de combustion aéronautiques

Le 09/04/2014

Frédéric Grisch  •  ico

Bruno Renou  •  ico

Encadrants

Frédéric Grisch,
Bruno Renou

Mots clés

Allumage, Combustion, Diagnostics optiques (PLIF, DRASC)

Contexte

La technologie des moteurs aéronautiques actuels demande le recours à des bougies à étincelle haute énergie pour allumer (pression atmosphérique) ou ré-allumer en vol (basse pression) la chambre de combustion. Des alternatives telles que l’allumage par des nouveaux systèmes à rupture technologique comme les actionneurs plasma et laser sont actuellement étudiées pour améliorer les performances et ainsi permettre d’étendre les performances actuelles obtenues par bougie à étincelle. Ces nouveaux systèmes d’allumage présentent les avantages suivants, (1) : le dépôt d’énergie est plus efficacement réparti dans l’espace améliorant ainsi le transfert d’énergie dans le mélange carburant/air, (2) : le délai d’inflammation est grandement réduit par rapport à la bougie à étincelle. Cependant, ces propriétés, bien qu’attractives, reposent sur des processus physiques encore mal évalués ce qui pénalise l’intégration de ces modes d’allumage sur les nouvelles chambres de combustion fonctionnant en régime pauvre. Au niveau national, une réelle dynamique s’est mise en place au cours des dernières années avec plusieurs laboratoires de recherche (CORIA, EM2C, CERFACS et IFPEN) soutenus par des industriels (SNECMA et TURBOMECA), pour mener des actions de recherche efficaces et concertées. Au laboratoire, l’allumage laser de mélange gazeux (laminaire et turbulent) a été abordé lors des thèses de Céline Cardin [1] et de Matthieu Cordier [2], et les résultats obtenus ouvrent de larges perspectives de recherche. C’est dans ce contexte, que nous proposons ce sujet de thèse.

Objectifs et méthodologie

A la frontière entre les plasmas et la combustion, l’objectif de cette thèse pluridisciplinaire est d’améliorer notre compréhension sur les mécanismes thermiques et chimiques d’oxydation des réactants opérant pendant la phase d’initiation de l’allumage. En effet, les résultats des expériences réalisées dans la thèse de Guy-Alexandre Grandin [4] sur un système d’allumage par décharge nanoseconde répétitive ont montré l’importance de cette étape de transition (plasma-combustion) sur les mécanismes thermique et chimique se développant dans tous les premiers instants et permettant d’atteindre le déclenchement d’une combustion de mélange gazeux combustible/air. De même, une récente étude d’allumage par laser réalisée au CORIA lors de la thèse de Céline Cardin [3] conclue au même résultat. Cependant, une rapide étude comparative des performances atteintes par les deux systèmes d’allumage testés (décharge nanoseconde et laser) avec celles d’une bougie d’allumage classique révèle de grandes disparités en termes de délai d’allumage atteint. Il est donc vital si l’on désire améliorer les performances d’allumage des nouvelles chambres de combustion d’élucider expérimentalement et théoriquement les différences de comportement de ces modes d’allumage de manière à sélectionner dans le futur celui présentant les meilleures caractéristiques. Cette démarche scientifique passe par la nécessité de réaliser des études expérimentales pilotes basées sur des outils de mesures précis et quantitatifs. Ainsi, une étude comparative des évolutions temporelles des mécanismes physico-chimiques développés par un système d’allumage classique « bougie à étincelle » et par un actionneur laser sera réalisée au cours de cette thèse. Les conditions de pression retenues seront comprises entre 0,4 – 1 bar ce qui permettra de reproduire des conditions de pression d’allumage au sol et de ré-allumage en altitude rencontrées dans les systèmes de propulsion aéronautiques

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