Experimental studies and modelization of the combustion of micrometric and nanometric aluminum particle clouds.
Études expérimentales et modélisation de la combustion des nuages de particules micrométriques et nanométriques d'aluminium.
Résumé
The numerous new projects for ambitious space missions have revived the interest for the investigation of solid-state rocket engines. Among others, aluminum particles are one of the main compounds of a solid-propellant propulsion unit. However, incomplete combustion and agglomerate formation are remaining issues. A proposed solution to avoid them is to use nanometric particles instead of commonly employed micrometric-size particles.
The objective of this work was to experimentally characterize the combustion in air of both micrometric and nanometric aluminum particle clouds for strong richnesses and under standard conditions for temperature and pressure. In order to achieve our goals, a specific test bench was developed and various diagnostic techniques were used to gain knowledge in the physical mechanisms at work during combustion of tiny aluminum particles. Moreover, computer simulations were carried out to support experimental outcomes. The study reveals that the speed of flame increases with the particle concentration. For an identical concentration, combustion propagates faster throughout clouds of nano-particles. The temperature of the gas phase and the condensed phase are lower for nano-particle clouds than for micro-particle clouds. A physical model based on fitted parameters allows to obtain combustion times in good agreement with experimental outcomes. Two power-laws relations in which the combustion time varies as either D0,25 or D0,49 are derived when considering nanometric particles that are not agglutinated.
The objective of this work was to experimentally characterize the combustion in air of both micrometric and nanometric aluminum particle clouds for strong richnesses and under standard conditions for temperature and pressure. In order to achieve our goals, a specific test bench was developed and various diagnostic techniques were used to gain knowledge in the physical mechanisms at work during combustion of tiny aluminum particles. Moreover, computer simulations were carried out to support experimental outcomes. The study reveals that the speed of flame increases with the particle concentration. For an identical concentration, combustion propagates faster throughout clouds of nano-particles. The temperature of the gas phase and the condensed phase are lower for nano-particle clouds than for micro-particle clouds. A physical model based on fitted parameters allows to obtain combustion times in good agreement with experimental outcomes. Two power-laws relations in which the combustion time varies as either D0,25 or D0,49 are derived when considering nanometric particles that are not agglutinated.
Le regain d'intérêt actuel pour les missions spatiales a donné un nouvel essor aux études sur les systèmes de propulsion solide. Les particules d'aluminium constituent un élément indispensable à ce type de propulseur. Cependant des problèmes de combustion incomplète et d'agglomération des particules subsistent. Une solution envisagée pour les résoudre est d'utiliser des particules nanométriques en remplacement des particules micrométriques utilisées communément.
L'objectif de ce travail a été de caractériser expérimentalement la combustion dans l'air d'un nuage de particules d'aluminium micrométrique et nanométrique pour de fortes richesses dans les conditions normales de température et de pression. Un outil de simulation numérique a été élaboré sur cette base expérimentale. Pour répondre aux besoins de l'étude, un dispositif expérimental spécifique a été développé et de multiples techniques d'analyse ont été utilisées afin de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu lors de la combustion des particules d'aluminium. Il en ressort que la vitesse de flamme augmente avec la concentration et que pour la même concentration globale, la combustion se propage plus rapidement dans les nuages de nanoparticules que dans les nuages de microparticules. Les températures de la phase gazeuse et de la phase condensée pour le nuage de particules nanométriques sont inférieures à celles du nuage de particules micrométriques. L'élaboration d'un modèle à partir des paramètres expérimentaux permet d'obtenir des temps de combustion qui concordent avec l'expérience. Deux lois en D 0,25 et D 0,49 peuvent être estimées en considérant des particules nanométriques non agglutinées.
L'objectif de ce travail a été de caractériser expérimentalement la combustion dans l'air d'un nuage de particules d'aluminium micrométrique et nanométrique pour de fortes richesses dans les conditions normales de température et de pression. Un outil de simulation numérique a été élaboré sur cette base expérimentale. Pour répondre aux besoins de l'étude, un dispositif expérimental spécifique a été développé et de multiples techniques d'analyse ont été utilisées afin de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu lors de la combustion des particules d'aluminium. Il en ressort que la vitesse de flamme augmente avec la concentration et que pour la même concentration globale, la combustion se propage plus rapidement dans les nuages de nanoparticules que dans les nuages de microparticules. Les températures de la phase gazeuse et de la phase condensée pour le nuage de particules nanométriques sont inférieures à celles du nuage de particules micrométriques. L'élaboration d'un modèle à partir des paramètres expérimentaux permet d'obtenir des temps de combustion qui concordent avec l'expérience. Deux lois en D 0,25 et D 0,49 peuvent être estimées en considérant des particules nanométriques non agglutinées.