Laser induced ignition of two phase disperse liquids and gaseous fuels mixtures
Etude de l'allumage par laser de mélanges en phase liquide dispersée et gazeuse
Résumé
The study of ignition of fuel/oxidizer mixtures is of fundamental and crucial importance for the internal combustion engines and for the gas turbines. A new method of ignition, recently used, consists in creating a spark by focusing of a laser beam. The objective of this work is to carry out a parametric study of this mode of lighting for mixtures in liquid dispersed and gas phases, as well as contributing to the comprehension of the physical phenomena related to optical breakdown, both in the air and in flammable mixtures. Plasmas met are characterized in terms of concentrations and electronic temperatures, before presenting the parametric study of breakdown in the air and the lighting of the gas and two phase mixtures. The importance of the dynamics induced by the laser spark on the evolution of the structure and the shape of the ignition kernel is considered. The role of the aberrations, and in particular of the spherical aberration, is carefully studied from the theoretical point of view. Important conclusions on the interpretation of the experimental results are then drawn. The determination of the breakdown threshold, as well as the identification of the determining processes are analyzed in the light of a model based on the determination of the evolution of the concentration of free electrons in focal volume. Finally, the feasibility of laser lighting at the outlet of a lean prevaporized premixed injector is proven.
L'étude de l'allumage d'un mélange gazeux combustible/comburant est d'un intérêt fondamentale et d'une importance cruciale dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz. Une nouvelle méthode d'allumage, récemment utilisée, consiste à créer une étincelle par focalisation d'un faisceau laser.
L'objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.
L'objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.
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