Projet ANR-14-CE05-0030 – MAPEE : Microcombustion Assistée par Plasma et Excès d’Enthalpie
Programme : Transformations et inter-conversions énergétiques (DS0203) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Franck Richecoeur (EM2C CNRS UPR288)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 293211.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : La proposition de recherche concerne les technologies de micro-combustion utilisées dans la production et / ou l'utilisation de l'énergie par des équipements de taille réduite. Le terme microcombustion indique que la combustion a lieu dans de petits espaces de l'ordre de grandeur de quelques millimètres. Typiquement, la microcombustion est étudiée dans des tubes de diamètres compris entre 2 et 6 millimètres ou` une flamme de diffusion ou bien prémélangée se stabilise dans un écoulement laminaire. A cette échelle, la surface des parois par rapport au volume de l'enceinte augmente de fac¸on drastique conduisant à des situations inhabituelles pour la combustion. La limite basse d'inflammabilité, le diamètre et la vitesse de propagation de la flamme sont contrôlés par des phénomènes qui différent de ceux contrôlant la combustion dans des enceintes plus grandes. Les études existantes, principalement phénoménologiques, dont une menée par le coordinateur du projet actuel, ont mis en évidence de nouveaux mécanismes de stabilisation et de mouvements oscillatoires jamais observés à des échelles plus grandes. Au-delà des limites d'inflammabilité classiques observe´s pour les flammes très pauvres ou très riches, de nouveaux régimes transitoires ont été observés. A ce stade, la microcombustion souffre d'un manque de recherches fondamentales en termes d'expériences, la modélisation et la simulation numérique.
Le but de notre projet est d'étudier la physique des micro-brûleurs à travers quatre directions simultanées:
• Tout d'abord, des expériences seront menées pour mesurer la dynamique de la flamme, les interactions flamme / paroi et l'influence des sources d'énergie externes sur les mécanismes de stabilisation en tube microscopique. Le de´fi est la mise en place de diagnostics laser dans un tube de quelques millimètres de diamètre afin de quantifier les concentrations de radicaux, la vitesse d'écoulement, la température de paroi et l'emplacement du front de flamme avec un taux d'échantillonnage suffisamment élevé pour suivre les phénomènes instationnaires et transitoires.
• Deuxièmement, les simulations numériques fines (DNS) seront réalise´es pour étudier le comportement transitoire observé dans de tels systèmes. Des efforts seront concentre´s sur le couplage entre l'écoulement et les parois.
• Troisièmement, l'ajout d'une aide extérieure pour la combustion grâce a` l'utilisation de plasma sera étudié à la fois expérimentalement et numériquement. Expérimentalement, le défi consiste à générer un plasma efficace dans des volumes très faibles, pour ensuite mesurer et quantifier l'impact et le gain éventuel apporté par le plasma sur la dynamique des flammes. Numériquement, les développements porteront sur la cinétique de combustion afin de prendre en compte le couplage avec les radicaux émis par le plasma.
• Quatrièmement, la petite taille de la chambre de combustion et le fort couplage entre les murs et l'écoulement donne lieu à des variations rapides de la position de la flamme. Cette situation permettra de développer de outils bas ordre visant à prédire le mouvement de la flamme, en prenant en compte les couplages non-linéaires. La richesse, le matériau de la paroi, la vitesse d'écoulement et le diamètre du tube sont parmi les paramètres à prendre en compte pour aborder la dynamique de combustion. Ces outils de prévision seront d'une grande aide pour ouvrir la voie a` la conception rapide et efficace de ce type de brûleurs.