Ecole Centrale Paris / ONERA : Etude des effets d’une décharge nanoseconde répétitive pulsée sur un écoulement combustible : application à la combustion assistée par plasma

Contexte

La réduction des émissions de polluants par les moteurs aéronautiques, les turbines à gaz, les chaudières domestiques et industrielles, ou les moteurs à combustion interne est un objectif stratégique pour les constructeurs en raison de la mise en application, à court ou moyen terme, de normes toujours plus contraignantes. En particulier, la production des oxydes d’azote (NOx) doit être mieux maîtrisée afin de réduire le smog photochimique et les pluies acides.

Un paramètre essentiel dans la production des oxydes d’azote est la température de flamme car les émissions de NOx augmentent exponentiellement avec celle-ci. Dans la pratique, l’abaissement de la température de flamme peut être obtenu en brûlant des prémélanges pauvres en carburant, mais ceux-ci rendent la combustion plus instable qu’en régime stœchiométrique. Il devient alors essentiel de proposer des méthodes efficaces d’un point de vue énergétique pour stabiliser les flammes pauvres. Une approche prometteuse consiste à utiliser des décharges plasmas nanosecondes répétitives pulsées (NRP), ce qui constitue l’objet de cette thèse.
 

Objectifs et déroulement de la thèse

L’objectif de la thèse sera d’étudier et de quantifier les effets d’une décharge plasma produite par application d’impulsions haute tension, de durée de l’ordre de la dizaine de nanosecondes, à haute cadence de l’ordre de la centaine de kHz. Les études menées depuis 2005 au laboratoire EM2C ont en effet démontré le fort potentiel de ces décharges sur la stabilisation de brûleurs de laboratoire et industriels [1-5]. Il s’agira d’étudier l’effet de la décharge sur le comportement de la flamme, en fonction de sa richesse, de la pression (1-3 bars), du type de carburant (méthane ou kérosène), de la puissance plasma et de la géométrie d’implantation des électrodes.
La première partie de l’étude visera à déterminer si l’utilisation de la décharge plasma permet d’abaisser effectivement la richesse limite d’extinction de flammes sur une large gamme de pressions. L’objectif attendu est une stabilisation de la combustion à basse richesse et un abaissement significatif (de l’ordre de 50% selon les résultats de nos études passées en laboratoire) de la limite d’extinction pauvre. La deuxième partie de l’étude sera consacrée à la quantification de l’effet des décharges sur les émissions polluantes en mesurant deux quantités essentielles : la concentration d’oxydes d’azote et l’efficacité de combustion par des mesures de CO, CO2 et hydrocarbures. Ces mesures seront effectuées par prélèvement en sortie de la chambre de combustion et au moyen des diagnostics lasers développés au laboratoire EM2C et au DEFA : DLAS (Diode Laser Absorption Spectroscopy), PLIF (Planar Laser-Induced Fluorescence), CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy), PIV (Particle Imaging Velocimetry), ainsi que par imagerie haute vitesse [6].

Les expériences seront menées d’une part sur le banc de combustion MiniPac du laboratoire EM2C (Fig. 1), qui permet de mettre au point les diagnostics optiques et électriques nécessaires sur une configuration d’opération relativement aisée. Puis, l’étude sera étendue à un dispositif se rapprochant de conditions représentatives des moteurs industriels, le banc de combustion subsonique EPICTETE du DEFA (Département d’Energétique Fondamentale et Appliquée) de l’ONERA (Fig. 2). Ce banc d’essai, d’une puissance de 200 kW, est alimenté en carburant par un injecteur tourbillonnaire simple vrille Turboméca permettant d’injecter des carburants gazeux ou liquides (kérosène Jet-A1) et de l’air préchauffé jusqu’à 650 K, à des pressions pouvant aller jusqu’à 3 bars [4,5].
 

Contacts

• Christophe Laux, Professeur, Ecole Centrale Paris, christophe.laux@ecp.fr
• Deanna Lacoste, Ingénieur de Recherche CNRS, deanna.lacoste@em2c.ecp.fr
• Gabi Stancu, Maître de Conférences, Ecole Centrale Paris, gabi.stancu@em2c.ecp.fr
• Axel Vincent, Ingénieur de Recherche ONERA, axel.vincent@onera.fr

Compétences souhaitées

Une formation d’ingénieur ou Master 2. Des connaissances dans le domaine des plasmas, de la combustion, de l’optique, et/ou de la spectroscopie sont souhaitées, mais non nécessaires. La formation dans ces domaines sera assurée pendant la thèse.

Laboratoires d’accueil

La thèse s’effectuera au laboratoire EM2C de l’Ecole Centrale Paris et au Département d’Energétique Fondamentale et Appliquée (DEFA) de l’ONERA à Palaiseau.
Un financement sera demandé auprès de la DGA pour les candidatures reçues avant le 31 janvier 2013, ou auprès du Ministère de la Recherche pour les autres candidatures.
 

Figure 1.

(a) Stabilisation de flamme propane/air pauvre par décharge NRP sur le banc de combustion MINIPAC du laboratoire EM2C [1] (b) Visualisation du jet de kérosène par plan laser (à gauche) et de la combustion (à droite) [4,5]

Figure 2 : Schéma d’ensemble de la veine d’essais du banc EPICTETE

 

Références

• [1] Pilla, G., Galley, D., Lacoste, D.A., Lacas, F., Veynante, D., and Laux, C.O., “Plasma-Enhanced Combustion of a Lean Premixed Air-Propane Turbulent Flame using a Repetitively Pulsed Nanosecond Discharge”, IEEE Transactions on Plasma Science, 34, 2471- 2477, 2006.
• [2] Barbosa S., Pilla G., Lacoste D.A., Scouflaire P., Ducruix S., Laux C.O., Veynante D., “Influence of a repetitively pulsed plasma on the flame stability domain of a lab-scale gas turbine combustor,” 4th European Combustion Meeting, Vienna, 2009.
• [3] Heid G., Pilla G., Lecourt R. Lacoste D.A., ISABE 2009
• [4] Vincent-Randonnier A., “Combustion enhancement and stabilization: principles of plasma assistance and diagnostics tools”, Handbook on Combustion, Vol. 5 : New Technologies – Chapter 6, 125-160, Wiley VCH, 2010
• [5] Vincent-Randonnier A., Larigaldie S., Magre P., Sabel’nikov V., “Experimental study of a methane diffusion flame under dielectric barrier discharge assistance”, IEEE Trans. Plasma Sci., 35 (2), 223-232 , 2007
• [6] Stancu, G.D., Kaddouri F., Lacoste D.A., Laux C.O., “Atmospheric pressure plasma diagnostics by OES, CRDS and TALIF,” J. Phys. D: Appl. Phys., 43, 124002, 2010 (10 p)