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Thèse Année : 2016

Experimental characterization of the combustion dynamics at micro-scale

Caractérisation expérimentale de la dynamique de la combustion à micro-échelle

Résumé

Nowadays with the demand for high efficiency systems, there is growing development and application of micro electro-mechanical systems (MEMS devices) which may generate more energy than the modern batteries. In this context, a new experimental device has been developed. It consists of a micro tubular reactor with a controlled external temperature profile. The high gas temperature allows auto-ignition of the mixture and the flame stabilization in reactors with inner diameter smaller than the ordinary quenching diameter. The temperature profile along the tube is measured continuously using an infrared camera while an EMCCD camera is used to collect the CH* emission from the flame. The present experimental study on fuel/air mixtures reacting in narrow channels has been undertaken to provide detailed information on flame combustion at micro-scale. Three kinds of flame behavior were observed: (i) bright and stable flames under high flow velocity, (ii) flames with repetitive extinction and ignition (FREI) in the middle flow rate range, and (iii) weak flames at low flow rates. The presence of oscillating transitional regimes was also investigated and a detailed analysis of the unstable regimes (determination of frequencies and characteristic times) was carried out. Three fuels were used, namely methane, ethylene, and acetylene. The effect of different parameters was investigated: inlet velocity, equivalence ratio, and reactor size. Numerical simulations were also conducted to study the ignition characteristics of unstable flames.
Aujourd’hui, avec la demande de systèmes à haute efficacité, les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ont connu un développement croissant, car ceux-ci peuvent générer plus d’énergie que les batteries modernes. Dans ce contexte,une étude expérimentale sur la dynamique de la combustion à microéchelle a été conduite. Un nouveau dispositif expérimental a été mis au point. Il se compose d’un microréacteur tubulaire avec un profil contrôlé de la température imposée sur sa face externe. La température élevée du gaz permet l’auto-allumage du mélange combustible circulant à l’intérieur de ce microréacteur et elle permet aussi la stabilisation de flammes dans des réacteurs de diamètre intérieur inférieur au diamètre de coincement. Le profil de température le long du tube est mesuré en continu par une caméra infrarouge, alors qu’une caméra EMCCD est utilisée pour enregistrer l’émission de CH* de la flamme. Cette étude expérimentale sur des mélanges carburant/air dans un réacteur de faible diamètre a été entreprise pour fournir des informations détaillées sur la combustion à microéchelle. Trois régimes de flamme ont été observés : (i) des flammes stables et lumineuses pour les écoulements à vitesse élevée, (ii) des flammes avec extinction et allumage répétitif (FREI) pour des débits de milieu de gamme, et (iii) des flammes faibles pour les écoulements à très faible vitesse. La présence de régimes transitoires oscillants a également été étudiée et une analyse détaillée des régimes instables (détermination des fréquences et des temps caractéristiques) a été réalisée. Trois combustibles ont été utilisés, c.-à-d., , le méthane, l’éthylène et l’acétylène. Les effets des différents paramètres ont été étudiés: la vitesse débitante, la richesse et la taille du réacteur. Des simulations numériques ont également été conduites pour étudier les caractéristiques d’allumage des flammes instables.
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tel-01994718 , version 1 (25-01-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01994718 , version 1

Citer

Annalisa Di Stazio. Experimental characterization of the combustion dynamics at micro-scale. Reactive fluid environment. Orléans, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01994718⟩
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