Développement dun dispositif expérimental pour      lanalyse de la structure de flammes de prémélanges à haute pression pa...
Contexte      Problématique Climat/Energie Pénurie des énergies                            Réchauffement climatique       ...
ContexteDomaines dapplication de la combustion du méthane et du biogaz      Biogaz / Gaz naturel    60% CH4     ≈ 90% CH4 ...
ContexteDomaines dapplication de la combustion du méthane et du biogaz      Biogaz / Gaz naturel    60% CH4     ≈ 90% CH4 ...
Contexte            Influence de la pression sur la combustionLa pression exerce une influence sur la combustion dans plus...
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ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression            Brûleurs à flamme plate          ...
ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression            Brûleurs à flamme plate          ...
ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression            Brûleurs à flamme plate          ...
Contexte                       Démarche de la thèseConstat   Très peu détudes de structure de flammes à haute pression    ...
Contexte                        Démarche de la thèseConstat    Très peu détudes de structure de flammes à haute pression  ...
Contexte                           Démarche de la thèseConstat      Très peu détudes de structure de flammes à haute press...
Contexte                           Démarche de la thèse Constat     Très peu détudes de structure de flammes à haute press...
Contexte                           Démarche de la thèse Constat     Très peu détudes de structure de flammes à haute press...
PlanI.   Dispositif expérimentalII. Mesures de OH par diagnostics laserIII. Présentation des résultats et comparaison à la...
PlanI.   Dispositif expérimental         Enceinte haute pression         Brûleurs à contre-courants         Synthèse des f...
I. Dispositif expérimental                     II. Mesures de OH                 III. Exp/model.                          ...
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I. Dispositif expérimental     II. Mesures de OH               III. Exp/model.                 Brûleurs à contre-courants ...
Synthèse des flammes stabilisées                       Flammes CH4/air          Flammes CH 4/air     Flammes CH 4/CO2/airP...
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PlanI.    Dispositif expérimentalII.   Mesures de OH par diagnostics laser           Mesures des profils relatifs de OH pa...
Mesure des profils relatifs de OH   FIL OH   Calibration    PrincipeLaser              A2Σ+                           ν=2 ...
I. Dispositif expérimental            II. Mesures de OH   III. Exp/model.       Mesure des profils relatifs de OH         ...
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I. Dispositif expérimental            II. Mesures de OH                         III. Exp/model.       Mesure des profils r...
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I. Dispositif expérimental               II. Mesures de OH   III. Exp/model.             Mesure des profils relatifs de OH...
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I. Dispositif expérimental       II. Mesures de OH             III. Exp/model.        Calibration des mesures de OH       ...
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I. Dispositif expérimental       II. Mesures de OH              III. Exp/model.        Calibration des mesures de OH      ...
I. Dispositif expérimental       II. Mesures de OH              III. Exp/model.        Calibration des mesures de OH      ...
I. Dispositif expérimental                       II. Mesures de OH                             III. Exp/model.           D...
I. Dispositif expérimental           II. Mesures de OH                 III. Exp/model.           Détermination de la longu...
I. Dispositif expérimental                 II. Mesures de OH                   III. Exp/model.           Détermination de ...
I. Dispositif expérimental           II. Mesures de OH              III. Exp/model.           Détermination de la longueur...
I. Dispositif expérimental           II. Mesures de OH                                         III. Exp/model.          Me...
I. Dispositif expérimental                            II. Mesures de OH            III. Exp/model.                      Me...
I. Dispositif expérimental              II. Mesures de OH   III. Exp/model.                Mesure de OH par absorption    ...
I. Dispositif expérimental                II. Mesures de OH                          III. Exp/model.                Mesure...
I. Dispositif expérimental                                    II. Mesures de OH                                  III. Exp/...
PlanI.   Dispositif expérimentalII. Mesures de OH par diagnostics laserIII. Présentation des résultats et comparaison à la...
I. Dispositif expérimental         II. Mesures de OH            III. Exp/model.                                           ...
I. Dispositif expérimental                                                   II. Mesures de OH                            ...
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  1. 1. Développement dun dispositif expérimental pour lanalyse de la structure de flammes de prémélanges à haute pression par diagnostic laser : Application aux flammes méthane/air et biogaz/air Alexis MATYNIA Soutenance de Thèse mercredi 6 avril 2011Directeur de thèse : Dr. Philippe DAGAUT Co-encadrants : Dr. Laure PILLIER Dr. Mahmoud IDIR 1
  2. 2. Contexte Problématique Climat/Energie Pénurie des énergies Réchauffement climatique fossiles Amélioration des Développement de sourcessystèmes de combustion dénergie alternativesMeilleure compréhension Biomasse (Bois Energie ; des processus de la Biocarburants ; Biogaz) combustion 2
  3. 3. ContexteDomaines dapplication de la combustion du méthane et du biogaz Biogaz / Gaz naturel 60% CH4 ≈ 90% CH4 40% CO2 + C2H6 + C3H8 Applications domestiques - cuisine - chauffage Carburant pour véhicules Production délectricité Autres 3
  4. 4. ContexteDomaines dapplication de la combustion du méthane et du biogaz Biogaz / Gaz naturel 60% CH4 ≈ 90% CH4 40% CO2 + C2H6 + C3H8 Applications domestiques - cuisine - chauffage Carburant pour véhicules Production délectricité Autres Un grand nombre de systèmes de production dénergie fonctionnent à haute pression 4
  5. 5. Contexte Influence de la pression sur la combustionLa pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que :- la cinétique de combustion (réactions pseudo-unimoléculaires / trimoléculaires)- lépaisseur de flamme- la stabilité A+M P+M A+B+M AB + M Constante de vitesse, k 1 k∞ fall-off k0 Pression, P 5
  6. 6. Contexte Influence de la pression sur la combustionLa pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que :- la cinétique de combustion (réaction pseudo-unimoléculaires / trimoléculaires)- lépaisseur de flamme- la stabilité Basse pression Haute pression Lorsque la pression augmente : ⇒ Front de flamme plus fin et plus proche du brûleur 6
  7. 7. Contexte Influence de la pression sur la combustionLa pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que :- la cinétique de combustion (réaction pseudo-unimoléculaires / trimoléculaires)- lépaisseur de flamme- la stabilité Basse pression Haute pression 7
  8. 8. Contexte Influence de la pression sur la combustionLa pression exerce une influence sur la combustion dans plusieurs domaines, tels que :- la cinétique de combustion (réaction pseudo-unimoléculaires / trimoléculaires)- lépaisseur de flamme- la stabilité Instabilités thermo-diffusives Instabilités hydrodynamiquesConcernent les flammes non équidiffusives Liées aux gradients de densité au travers de la flamme Boyer (2006) Law (2006) 8
  9. 9. ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression Brûleurs à flamme plate Brûleurs à contre-courants Attal-Trétout et al. (1990) Arnold et al. (1997) Sun et al.(1996) Desgroux et al. (1992) Thomsen et al. (1999) Thomsen et al. (1999) Domingues et al. (1993) (…) A haute pression Front de flamme très fin Front de flamme très proche du brûleur 9
  10. 10. ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression Brûleurs à flamme plate Brûleurs à contre-courants Attal-Trétout et al. (1990) Arnold et al. (1997) Sun et al.(1996) Desgroux et al. (1992) Thomsen et al. (1999) Thomsen et al. (1999) Domingues et al. (1993) (…) A haute pression Front de flamme très fin Front de flamme très proche du brûleur Diagnostics optiques 10
  11. 11. ContexteBibliographie sur les études de structure de flammes à haute pression Brûleurs à flamme plate Brûleurs à contre-courants Attal-Trétout et al. (1990) Arnold et al. (1997) Sun et al.(1996) Desgroux et al. (1992) Thomsen et al. (1999) Thomsen et al. (1999) Domingues et al. (1993) (…) A haute pression Front de flamme très fin Front de flamme très proche du brûleur Diagnostics optiques Brûleurs à contre-courants 11
  12. 12. Contexte Démarche de la thèseConstat Très peu détudes de structure de flammes à haute pression Manque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar) 12
  13. 13. Contexte Démarche de la thèseConstat Très peu détudes de structure de flammes à haute pression Manque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar)Objectif Développer et valider un nouveau dispositif expérimental pour la mesure de la structure de flammes à des pressions supérieures où égales à la pression atmosphérique 13
  14. 14. Contexte Démarche de la thèseConstat Très peu détudes de structure de flammes à haute pression Manque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar)Objectif Développer et valider un nouveau dispositif expérimental pour la mesure de la structure de flammes à des pressions supérieures où égales à la pression atmosphériqueDispositif - Brûleurs à contre-courants - Enceinte haute pression - Diagnostics optiques 14
  15. 15. Contexte Démarche de la thèse Constat Très peu détudes de structure de flammes à haute pression Manque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar)Objectif Développer et valider un nouveau dispositif expérimental pour la mesure de la structure de flammes à des pressions supérieures où égales à la pression atmosphériqueDispositif - Brûleurs à contre-courants - Enceinte haute pression - Diagnostics optiquesApproche Mesures quantitatives de profils de OH par Fluorescence Induite par Laser / absorption laser / Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF) Radical OH Espèce centrale dans la chimie de combustion des hydrocarbures Base de données spectroscopiques disponible dans la littérature 15
  16. 16. Contexte Démarche de la thèse Constat Très peu détudes de structure de flammes à haute pression Manque de données pour le développement et la validation des mécanismes cinétiques à haute pression (P>1bar)Objectif Développer et valider un nouveau dispositif expérimental pour la mesure de la structure de flammes à des pressions supérieures où égales à la pression atmosphériqueDispositif - Brûleurs à contre-courants - Enceinte haute pression - Diagnostics optiquesApproche Mesures quantitatives de profils de OH par Fluorescence Induite par Laser / absorption laser / Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF) + comparaison expérience / modélisation 16
  17. 17. PlanI. Dispositif expérimentalII. Mesures de OH par diagnostics laserIII. Présentation des résultats et comparaison à la modélisation 17
  18. 18. PlanI. Dispositif expérimental Enceinte haute pression Brûleurs à contre-courants Synthèse des flammes stabiliséesII. Mesures de OH par diagnostics laserIII. Présentation des résultats et comparaison à la modélisation 18
  19. 19. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Enceinte haute pression Capteur de Vanne de pression régulation Accès optiques Brûleurs à contre-courants Système de déplacement des brûleurs Alimentation en gaz Circuits électriques Volume intérieur : 40 L Pression maximale de travail : 60 bars 19
  20. 20. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Enceinte haute pression Capteur de Vanne de pression régulation Accès optiques Brûleurs à contre-courants Système de déplacement des brûleurs Alimentation en gaz Circuits électriques Volume intérieur : 40 L Pression maximale de travail : 60 bars 20
  21. 21. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Brûleurs à contre-courants L D = 7 mm L = 10 mm D L/D=1,4 Buse convergente Gaine de refroidissement Garde dazote Prémélange Poreux Eau Garde dazote Prémélange 21
  22. 22. Synthèse des flammes stabilisées Flammes CH4/air Flammes CH 4/air Flammes CH 4/CO2/airP Φ 0,7 1 1,2 1,3 0,7 1 11babar0,1 MPa rs 1 cm 1 cm3 bars0,3 MPa5 bars0,5 MPa7 bars0,7 MPa 22
  23. 23. Synthèse des flammes stabilisées Flammes CH4/air Flammes CH 4/air Flammes CH 4/CO2/airP Φ 0,7 1 1,2 1,3 0,7 1 11babar0,1 MPa CH4/air Φ=1 P=3bars rs 1 cm 1 cm 1 cm3 bars0,3 MPa5 bars0,5 MPa7 bars0,7 MPa 23
  24. 24. PlanI. Dispositif expérimentalII. Mesures de OH par diagnostics laser Mesures des profils relatifs de OH par FIL Calibration des mesures en concentration absolueIII. Présentation des résultats et comparaison à la modélisation 24
  25. 25. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration PrincipeLaser A2Σ+ ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Πflamme ν=2 ν=1 ν=0 25
  26. 26. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme ν=2 ν=1 ν=0 26
  27. 27. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme ν=2 Excitation ν=1 ν=0 27
  28. 28. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Rotational Energy Transfer RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme ν=2 Excitation ν=1 ν=0 28
  29. 29. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme ν=2 Excitation ν=1 ν=0 29
  30. 30. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme ν=2 Excitation ν=1 Emission stimulée ν=0 30
  31. 31. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE 31
  32. 32. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE Collisions => Quenching 32
  33. 33. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Vibrational Energy Transfer Rotational Energy Transfer VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE Collisions => QuenchingLe signal de fluorescence est proportionnel à la densité de population de lespèce ciblée 33
  34. 34. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Fluorescence Induite par Laser à haute pression RET Milieu dense VET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 J= 1 X2Π flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE QuenchingLe signal de fluorescence est proportionnel à la densité de population de lespèce ciblée 34
  35. 35. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Fluorescence Induite par Laser à haute pression RET Milieu dense VET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 Phénomènes dabsorption importants J= 1 X2Π< 3 cm flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE Quenching Le signal de fluorescence est proportionnel à la densité de population de lespèce ciblée 35
  36. 36. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Fluorescence Induite par Laser à haute pression RET Milieu dense VET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 Phénomènes dabsorption importants J= 1 Phénomènes collisionnels importants X2Π< 3 cm flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE Quenching Le signal de fluorescence est proportionnel à la densité de population de lespèce ciblée 36
  37. 37. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Principe Laser A2Σ+ Fluorescence Induite par Laser à haute pression RET Milieu dense VET ν=2 J= X . ν=1 . . . . ν=0 Phénomènes dabsorption importants J= 1 Phénomènes collisionnels importants X2Π< 3 cm flamme FLUORESCENCE Excitation ν=2 Spectroscopie plus complexe ν=1 Emission stimulée ν=0 Emission spontanée : FLUORESCENCE Quenching Le signal de fluorescence est proportionnel à la densité de population de lespèce ciblée 37
  38. 38. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescenceGrandeur Détermination ϕ(t) Expérience 38
  39. 39. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Coefficient dEinstein dabsorptionGrandeur Détermination ϕ(t) Expérience BJJ Littérature 39
  40. 40. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Densité dénergie laser 0,8 Signal de fluorescence (u.a.)Grandeur Détermination ϕ(t) Expérience 0,6 Régime linéaire BJJ Littérature 0,4 U Expérience 0,2 0,0 0 100 200 300 400 500 Energie laser (µJ) CH4/air Φ = 0,7 P = 1bar 40
  41. 41. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Recouvrement spectral Grandeur Détermination ϕ(t) Expérience BJJ Littérature U Expérience Φ Φg(Φlas,Φabs) Calcul 41
  42. 42. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Rendement quantique de fluorescence Grandeur Détermination A2Σ+ ϕ(t) Expérience BJJ Littérature VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . U Expérience . . ν=0 J= 1 Φ Φg(Φlas,Φabs) Calcul Σ Q JJ" X2Π Σ AJJ" AJJ Littérature QJJ Calcul Emission spontanée : ν=2 FLUORESCENCE ν=1 ν=0 Quenching 42
  43. 43. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Fraction de Boltzmann Grandeur Détermination A2Σ+ ϕ(t) Expérience BJJ Littérature VET RET ν=2 J= X . ν=1 . . U Expérience . . ν=0 J= 1 Φ Φg(Φlas,Φabs) Calcul Σ Q JJ" X2Π Σ AJJ" AJJ Littérature QJJ Calcul Emission spontanée : Fb Calcul ν=2 FLUORESCENCE ν=1 ν=0 Quenching NJ" 43
  44. 44. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Paramètres propres au dispositif de collection Grandeur Détermination ϕ(t) Expérience BJJ Littérature U Expérience Φ Φg(Φlas,Φabs) Calcul AJJ Littérature QJJ Calcul Fb Calcul G.Ω.V Expérience / 4π calibration 44
  45. 45. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Interprétation du signal de fluorescence Grandeur Détermination ϕ(t) Expérience BJJ Littérature U Expérience Φ Φg(Φlas,Φabs) Calcul Calculs très complexes … AJJ Littérature données spectroscopiques profils de température et de QJJ Calcul concentration des espèces Fb Calcul collisionnelles G.Ω.V Expérience / 4π calibration 45
  46. 46. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Influence des différents paramètres sur la forme des profils 2 approches Expérimentale Modélisation 46
  47. 47. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Influence des différents paramètres sur la forme des profils 2 approches Expérimentale Modélisation Corriger le signal de fluorescencedes trois paramètres pour obtenir lapopulation relative de OH 47
  48. 48. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Influence des différents paramètres sur la forme des profils 2 approches Expérimentale Modélisation Corriger le signal de fluorescencedes trois paramètres pour obtenir lapopulation relative de OH(!) Problème : profils de température etdespèces majoritaires nécessaires auxcalculs de 3 paramètres non disponibles 48
  49. 49. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Influence des différents paramètres sur la forme des profils 2 approches Expérimentale Modélisation Multiplier la densité de population de Corriger le signal de fluorescence OH par les trois paramètres pourdes trois paramètres pour obtenir la obtenir le signal de fluorescencepopulation relative de OH(!) Problème : profils de température etdespèces majoritaires nécessaires auxcalculs de 3 paramètres non disponibles 49
  50. 50. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Influence des différents paramètres sur la forme des profils 2 approches Expérimentale Modélisation Multiplier la densité de population de Corriger le signal de fluorescence OH par les trois paramètres pourdes trois paramètres pour obtenir la obtenir le signal de fluorescencepopulation relative de OH(!) Problème : profils de température etdespèces majoritaires nécessaires auxcalculs de 3 paramètres non disponibles Approche suivie 50
  51. 51. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Evaluation (par modélisation, OPPDIF, GRI3.0) de linfluence des trois paramètres Paramètres 1,0 CH4/air 1,0 CH4/air Φ=0,7 0,8 Φ=0,7 0,8 ϕ (t)/U normalisé ϕ (t)/U normalisé NOH normalisé NOH normalisé 1 bar 9 bars 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Distance par rapport au brûleur du bas (cm) ―― NOH normalisé ―― ϕ(t)/U normalisé Profil de signal de fluorescence ϕ(t)/U superposé au profil de NOH Très faible influence des paramètres Variation spatiale des paramètres négligeable pour une condition de flamme donnée (i.e. température de flamme / pression) 51
  52. 52. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Evaluation (par modélisation, OPPDIF, GRI3.0) de linfluence des trois paramètres Paramètres 1,0 CH4/air 1,0 CH4/air Φ=0,7 0,8 Φ=0,7 0,8 ϕ (t)/U normalisé ϕ (t)/U normalisé NOH normalisé NOH normalisé 1 bar 9 bars 0,6 0,6 0,4 0,4 Calibration de chaque flamme par absorption laser / PLIF 0,2 0,2 0,0 0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distance par rapport au brûleur du bas (cm) Distance par rapport au brûleur du bas (cm) ―― NOH normalisé ―― ϕ(t)/U normalisé Profil de signal de fluorescence ϕ(t)/U superposé au profil de NOH Très faible influence des paramètres Variation spatiale des paramètres négligeable pour une condition de flamme donnée (i.e. température de flamme / pression) 52
  53. 53. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection A-X(0,0) A2Σ+ A-X(1,1) ν=2 ν=1 ν=0 A-X(1,0) A-X(1,1) A-X(1,0) A-X(0,0) X2Π ν=2 ν=1 ν=0 Spectre dabsorption de OH à P=1 bar et T=2000 K (simulation LIFBase) La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0) 53
  54. 54. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection 5E-02 A2Σ+Fraction de Boltzmann 4E-02 N=5 N=6 ν=2 3E-02 ν=1 N=7 ν=0 2E-02 N=8 A-X(1,0) N=9 X 2Π 1E-02 N=10 0E+00 ν=2 ν=1 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 ν=0 N=7 Température (K) Fraction de Boltzmann calculée pour le niveau X2Π , ν"=0 pour des raies de type 1 La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0) Le niveau rotationnel N=7 a été choisi car sa fraction de Boltzmann est peu dépendante dela température (variation de 10% entre 1000 et 2000 K) 54
  55. 55. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection Q1(7) A2Σ+ ν=2 P1(7) ν=1 R1(7) ν=0 A-X(1,0) X 2Π Q1(7) R1(7) P1(7) ν=2 ν=1 ν=0 N=7 Spectre dexcitation de OH à P=1 bar et T=2000 K (simulation LIFBase) La bande A-X(1,0) a été sélectionnée car elle est moins absorbante que la bande A-X(0,0). Le niveau rotationnel N=7 a été choisi car sa fraction de Boltzmann est peu dépendante dela température (variation de 10% entre 1000 et 2000 K) La raie P1(7) a été choisie car elle est intense et relativement bien isolée 55
  56. 56. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection A-X (0,0) A-X (1,1) A2Σ+ X2Π A-X (1,1) A-X (0,0) Spectre de fluorescence de OH expérimental observé dans une flamme CH4/air Φ=0,7, P=1 bar et T=1800 K Détection en bande large : Tout le signal de fluorescence est collecté 56
  57. 57. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection A-X (0,0) A-X (1,1) A2Σ+ RET VET X2Π A-X (1,1) A-X (0,0) Spectre de fluorescence de OH expérimental observé dans une flamme CH4/air Φ=0,7, P=1 bar et T=1800 K Détection en bande large : Tout le signal de fluorescence est collecté 57
  58. 58. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Schéma dexcitation / détection A-X (0,0) A-X (1,1) A2Σ+ RET VET X2Π A-X (1,1) A-X (0,0) Spectre de fluorescence de OH expérimental observé dans une flamme CH4/air Φ=0,7, P=1 bar et T=1800 K Détection en bande large : Tout le signal de fluorescence est collecté 58
  59. 59. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Dispositif expérimental 1 ― Laser ― Intensité du signal (u.a.) 0,8 ― Fluorescence ― 0,6 0,4 PM 0,2 0 Fente dentrée Filtre passe bande 0 10 20 30 40 Temps (ns) A-X(0,0) + A-X(1,1) 59
  60. 60. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Dispositif expérimental 1 ― Laser ― Intensité du signal (u.a.) Résolution spatiale : 0,8 ― Fluorescence ― - 100 µm en hauteur 0,6 - 4 mm en largeur PM 0,4 0,2 0 Fente dentrée Filtre passe bande 0 10 20 30 40 Temps (ns) A-X(0,0) + A-X(1,1) 60
  61. 61. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Acquisition des données 61
  62. 62. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Acquisition des donnéesSignal de fluorescence (u.a.) 60 Sens 1 Signal de fluorescence 40 20 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) 62
  63. 63. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Acquisition des donnéesSignal de fluorescence (u.a.) 60 Sens 1 Signal de fluorescence Sens 2 40 20 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) 63
  64. 64. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Acquisition des données Signal de fluorescence (u.a.)Signal de fluorescence (u.a.) 60 60 Sens 1 Signal de fluorescence Moyenne Signal de fluorescence Sens 2 40 40 20 20 0 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) 64
  65. 65. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure des profils relatifs de OH FIL OH Calibration Exemples de résultats CH4/air CH4/air ϕ de fluorescence Φ = 0,7 Φ = 0,7 ϕ de fluorescence 80 80 1 bar 3 bars Signal(t)/U (u.a.) Signal(t)/U (u.a.) 60 60 40 40 20 20 0 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) CH4/air CH4/air ϕ de fluorescence Φ = 0,7 Φ = 0,7 ϕ de fluorescence 80 80 60 5 bars 7 bars Signal(t)/U (u.a.) Signal(t)/U (u.a.) 60 40 40 20 20 0 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) Sens 1 Sens 2 65
  66. 66. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Calibration des mesures de OH FIL OH Calibration Principe I Flamme Mesures par absorption laser laser Loi de Beer-Lambert : I0 laser Paramètre Détermination 66
  67. 67. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Calibration des mesures de OH FIL OH Calibration Principe I Flamme Mesures par absorption laser laser Loi de Beer-Lambert : I0 laser Paramètre Détermination Absorption laser 67
  68. 68. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Calibration des mesures de OH FIL OH Calibration Principe I Flamme Mesures par absorption laser laser Loi de Beer-Lambert : I0 laser Paramètre Détermination Absorption laser l PLIF l 68
  69. 69. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Calibration des mesures de OH FIL OH Calibration Principe I Flamme Mesures par absorption laser laser Loi de Beer-Lambert : I0 laser Paramètre Détermination Absorption laser l PLIF l σ(ν) Littérature 69
  70. 70. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Détermination de la longueur FIL OH Calibration du milieu absorbant par PLIF Dispositif expérimental Atténuateur Laser Nd : YAG Laser à colorant WEX Lentille demi-cylindrique, f=500 mm Filtre WG295 Filtre UG11 Caméra ICCD Objectif Pulseur Brûleurs Régime linéaire de fluorescence (E<400mJ) Excitation : P1(7), A-X(1,0) Collection : A-X(0,0) + A-X (1,1) Hauteur de la nappe : ≈ 6 mm 70
  71. 71. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Détermination de la longueur FIL OH Calibration du milieu absorbant par PLIF Traitement des images Nappe laser Prise en compte de lénergie laser Mesure par diffusion Rayleigh dans lenceinte remplie dazote à 10 bars Correction du signal de fluorescence 71
  72. 72. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Détermination de la longueur FIL OH Calibration du milieu absorbant par PLIF Détermination de la longueur dabsorption Zone de mesure C0 Profil radial [OH] 0 10 20 30 40 50 60 (mm) 72
  73. 73. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Détermination de la longueur FIL OH Calibration du milieu absorbant par PLIF Longueurs dabsorption Longueurs d’absorption (mm) Pression (bar) Mélange Richesse 1 3 5 7 0,7 18,5 18,6 18,9 19,6 CH4/air 1 24,7 32,5 ― ― 1,2 18,2 21,3 23,9 ― 0,7 17,1 17,2 17,1 ― CH4/CO2/air 1 24,3 25,4 24,9 ― Incertitude : ± 6% 73
  74. 74. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure de OH par absorption FIL OH Calibration Mesures expérimentales Raie ciblée : Q1(8) de la bande A-X(0,0) (λ = 309,24 nm) Mesures réalisées dans les gaz brûlés entre les flammes 6,E-03 4,E-03 X(OH) 2,E-03 0,E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) 74
  75. 75. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure de OH par absorption FIL OH Calibration Mesures expérimentales 1,0 0,8 A CH4/air Transmittance Φ = 0,7 0,6 1 bar I Flamme laser 0,4 I0 laser 0,2 0,0 9,7006E+14 9,7010E+14 9,7014E+14 9,7018E+14 Fréquence (s-1) 75
  76. 76. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure de OH par absorption FIL OH Calibration Résultats expérimentaux dans les gaz brûlés P(bar) X(OH) 1 2,9E-03 CH4/air 3 1,2E-03 Φ = 0,7 5 5,0E-04 7 4,0E-04 CH4/air 1 4,0E-03 Φ=1 3 2,2E-03 1 2,3E-03 CH4/air 3 7,1E-04 Φ = 1,2 5 2,5E-04 1 2,1E-03 CH4/CO2/air 3 1,1E-03 Φ = 0,7 5 6,9E-04 1 2,7E-03 CH4/CO2/air 3 2,3E-03 Φ=1 5 1,2E-03Incertitude : ± 21% à 1 bar ± 27% à haute pression 76
  77. 77. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure de OH par absorption FIL OH Calibration Résultats expérimentaux dans les gaz brûlés Brûleur à flamme plate P(bar) X(OH) X(OH) X(OH) X(OH) Desgroux et al. (1992) Arnold et al. (1997) Biet et al. (2007) 1 2,9E-03 2,0E-03 3,2E-03 CH4/air 3 1,2E-03 min max Φ = 0,7 5 5,0E-04 7 4,0E-04 min max min max CH4/air 1 4,0E-03 2,0E-03 3,7E-03 2,7E-03 5,5E-03 Φ=1 3 2,2E-03 7,5E-04 1,7E-03 1 2,3E-03 CH4/air Cohérence entre les mesures 3 7,1E-04 Φ = 1,2 5 2,5E-04 max 1 2,1E-03 CH4/CO2/air 3 1,1E-03 Φ = 0,7 5 6,9E-04 min 1 2,7E-03 CH4/CO2/air Arnold et al. (1997) 3 2,3E-03 Φ=1 5 1,2E-03Incertitude : ± 21% à 1 bar ± 27% à haute pression 77
  78. 78. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Mesure de OH par absorption FIL OH Calibration Résultats expérimentaux 1,2 4,E-03 Signal moyenné 1,0 X(OH)=2,9.10-3 3,E-03 0,8 [OH] relatif X(OH) 0,6 2,E-03 0,4 1,E-03 0,2 0,0 0,E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,0 0, 2 0,4 0,6 0,8 1,0 Distance au brûleur du bas (cm) Distance au brûleur du bas (cm) 78
  79. 79. PlanI. Dispositif expérimentalII. Mesures de OH par diagnostics laserIII. Présentation des résultats et comparaison à la modélisation Flammes CH4/air Flammes CH4/CO2/air Conclusions 79
  80. 80. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Exp/model. Comparaison expérience/modélisation ModélisationCode de calcul : OPPDIF (hyp. adiabaticité)Mécanismes : - GRI-Mech3.0 325 réactions, 53 espèces - GDFKin®3.0_NCN 883 réactions, 119 espèces 80
  81. 81. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Exp/model. Comparaison expérience/modélisation Flammes CH4/air 5,E-03 Φ = 0,7 P = 1 bar 5,E-03 Φ = 0,7 P = 3 bars 4,E-03 4,E-03 3,E-03 3,E-03X(OH) X(OH) Légende : 2,E-03 2,E-03 Expérience 1,E-03 1,E-03 ---- GRI-Mech 3.0 0,E+00 0,E+00 ― GDFKin®3.0_NCN ― 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) 3,E-03 Φ = 0,7 P = 5 bars Φ = 0,7 P = 7 bars 2,E-03 2,E-03X(OH) X(OH) 1,E-03 1,E-03 0,E+00 0,E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm)Forme des profils : très bon accordPosition des fronts de flamme : bon accord 81Fraction molaire de OH : bon accord
  82. 82. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Exp/model. Comparaison expérience/modélisation Flammes CH4/air 8,E-03 Φ = 1 P = 1 bar Φ = 1 P = 3 bars 6,E-03 6,E-03 Légende :X(OH) X(OH) 4,E-03 4,E-03 Expérience 2,E-03 2,E-03 ---- GRI-Mech 3.0 ― GDFKin®3.0_NCN ― 0,E+00 0,E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) Forme des profils : bon accord Position des fronts de flamme : bon accord à 1 bar léger écart à 3 bars Fraction molaire de OH : surestimation des modèles à 1 et 3 bars 82
  83. 83. I. Dispositif expérimental II. Mesures de OH III. Exp/model. Exp/model. Comparaison expérience/modélisation Flammes CH4/air Φ = 1,2 P = 1 bar 4,E-03 Φ = 1,2 P = 3 bars 4,E-03 3,E-03 3,E-03 Légende :X(OH) X(OH) 2,E-03 2,E-03 Expérience 1,E-03 ---- GRI-Mech 3.0 1,E-03 ― GDFKin®3.0_NCN ― 0,E+00 0,E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) Position par rapport au brûleur du bas (cm) 2,0E-03 Φ = 1,2 P = 5 bars Forme des profils : bon accord 1,5E-03 Position des fronts de flamme : accord moyenX(OH) 1,0E-03 Fraction molaire de OH : légère surestimation à 1 bar 5,0E-04 bon accord à 3 et 5 bars 0,0E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Position par rapport au brûleur du bas (cm) 83

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