Le 21 février 2023 à 14h, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Pascal LABOUREUR Energétique
Caractérisation expérimentale d’une flamme prémélangée aluminium / air.
Experimental characterization of an aluminum/air premixed flame.
MEMBRES DU JURY :
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Directeur de thèse
M. Jean-François BRILHAC Université de Haute-Alsace Rapporteur
M. Laurent PERRIN Université de Lorraine Rapporteur
M. Christian CHAUVEAU CNRS Co-Directeur de thèse
M. Pascal BOULET LEMTA Examinateur
M. Laurent SELLE IMFT Examinateur
M. Clément DUMAND STELLANTIS Examinateur
RÉSUMÉ
Face à l’intensification du dérèglement climatique et du réchauffement planétaire durant ces dernières décennies, les enjeux sociétaux et environnementaux liés à la transition énergétique deviennent prépondérants. L’intermittence des différentes sources d’énergies renouvelables, associée aux difficultés pour stocker massivement l’énergie résultante, limite le déploiement généralisé de ces solutions décarbonées et pousse à rechercher de nouveaux vecteurs énergétiques propres. Une alternative aux énergies fossiles traditionnels pourrait être les poudres métalliques en raison de leurs propriétés énergétiques intéressantes. L’énergie serait alors directement véhiculée par ces poudres selon un cycle itératif simple, sans la création de déchets ou de gaz à effet de serre. Cependant, le potentiel de ce vecteur reste encore à être démontré et certains verrous techniques et scientifiques subsistent dans les phases de stockage et de restitution de l’énergie. Cette thèse se focalise sur l’étape d’oxydation des particules métalliques et participe à évaluer les capacités de restitution énergétique de ce nouveau vecteur en étudiant une flamme prémélangée aluminium / air générée à la sortie d’un brûleur de type Bunsen. Les objectifs consistent en la caractérisation des propriétés fondamentales de la flamme métallique et l’estimation de paramètres nécessaires au dimensionnement d’un convertisseur énergétique basé sur l’utilisation de ces poudres d’aluminium. La vitesse de flamme laminaire, les températures de la phase condensée dans la zone de réaction ou encore le bilan énergétique global ont pu être déterminés sur le dispositif expérimental. Il apparaît alors que l’aluminium possède des avantages majeurs pour une utilisation comme vecteur énergétique.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Pascal LABOUREUR Energétique
Caractérisation expérimentale d’une flamme prémélangée aluminium / air.
Experimental characterization of an aluminum/air premixed flame.
MEMBRES DU JURY :
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Directeur de thèse
M. Jean-François BRILHAC Université de Haute-Alsace Rapporteur
M. Laurent PERRIN Université de Lorraine Rapporteur
M. Christian CHAUVEAU CNRS Co-Directeur de thèse
M. Pascal BOULET LEMTA Examinateur
M. Laurent SELLE IMFT Examinateur
M. Clément DUMAND STELLANTIS Examinateur
RÉSUMÉ
Face à l’intensification du dérèglement climatique et du réchauffement planétaire durant ces dernières décennies, les enjeux sociétaux et environnementaux liés à la transition énergétique deviennent prépondérants. L’intermittence des différentes sources d’énergies renouvelables, associée aux difficultés pour stocker massivement l’énergie résultante, limite le déploiement généralisé de ces solutions décarbonées et pousse à rechercher de nouveaux vecteurs énergétiques propres. Une alternative aux énergies fossiles traditionnels pourrait être les poudres métalliques en raison de leurs propriétés énergétiques intéressantes. L’énergie serait alors directement véhiculée par ces poudres selon un cycle itératif simple, sans la création de déchets ou de gaz à effet de serre. Cependant, le potentiel de ce vecteur reste encore à être démontré et certains verrous techniques et scientifiques subsistent dans les phases de stockage et de restitution de l’énergie. Cette thèse se focalise sur l’étape d’oxydation des particules métalliques et participe à évaluer les capacités de restitution énergétique de ce nouveau vecteur en étudiant une flamme prémélangée aluminium / air générée à la sortie d’un brûleur de type Bunsen. Les objectifs consistent en la caractérisation des propriétés fondamentales de la flamme métallique et l’estimation de paramètres nécessaires au dimensionnement d’un convertisseur énergétique basé sur l’utilisation de ces poudres d’aluminium. La vitesse de flamme laminaire, les températures de la phase condensée dans la zone de réaction ou encore le bilan énergétique global ont pu être déterminés sur le dispositif expérimental. Il apparaît alors que l’aluminium possède des avantages majeurs pour une utilisation comme vecteur énergétique.
Directeur de recherche CNRS, physicien spécialiste de la propulsion plasma à ICARE, a reçu le prix Edmond Brun de l'Académie des Sciences.
Il étudie les systèmes de propulsion à plasma pour les satellites et les sondes spatiales. Ses travaux concernent particulièrement les phénomènes de transport, l’optimisation magnétique et les lois d’échelle. Il a été l’un des pionniers de la miniaturisation des technologies propulsives à effet Hall. Il a aussi grandement contribué à l’essor des diagnostics optiques et laser dans son domaine.
Plus d'informations sur le site de l'Académie des Sciences
CNRS research director, physicist specializing in plasma propulsion at ICARE, has received the Edmond Brun prize from the Académie des Sciences. He studies plasma propulsion systems for satellites and space probes. His work focuses on transport phenomena, magnetic optimization and scaling laws. He was one of the pioneers in the miniaturization of Hall effect propulsion technologies. He has also greatly contributed to the development of optical and laser diagnostics in his field.
CNRS research director, physicist specializing in plasma propulsion at ICARE, has received the Edmond Brun prize from the Académie des Sciences. He studies plasma propulsion systems for satellites and space probes. His work focuses on transport phenomena, magnetic optimization and scaling laws. He was one of the pioneers in the miniaturization of Hall effect propulsion technologies. He has also greatly contributed to the development of optical and laser diagnostics in his field.
Voir les détails dans la rubrique Agenda
Sedina TSIKATA, chercheuse en physique, à ICARE, spécialisée dans l'étude de la physique des sources plasmas magnétisées.
Sedina TSIKATA, researcher in physics, at ICARE, specialized in the study of the physics of magnetized plasma sources.
Sedina TSIKATA, researcher in physics, at ICARE, specialized in the study of the physics of magnetized plasma sources.
Directeur de recherche CNRS, chimiste spécialiste en chimie atmosphérique à ICARE, a reçu le prix Yoram J.Kaufman Outstanding Research and Unselfish Cooperation 2020 de l'American Geophysical Union.
CNRS Research Director, a chemist specializing in atmospheric chemistry at ICARE, received the Yoram J. Kaufman Outstanding Research and Unselfish Cooperation 2020 Award from the American Geophysical Union.
CNRS Research Director, a chemist specializing in atmospheric chemistry at ICARE, received the Yoram J. Kaufman Outstanding Research and Unselfish Cooperation 2020 Award from the American Geophysical Union.
Le 16 décembre à 14h00, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Ahmad SAYED KASSEM
Energétique
Étude des effets du champ électrique sur la formation de suie et la stabilité d'une flamme de diffusion laminaire d'éthylène.
MEMBRES DU JURY :
Mme Pascale GILLON CNRS Saint Nazaire Directrice de thèse
Mme Silvana DE IULIIS CNR Milan Rapporteure
M. Marc BELLENOUE Université de Poitiers Rapporteur
M. Alexis MATYNIA Sorbonne Université Examinateur
M. Fouzi TABET Deutsches Biomasseforschungszentrum Examinateur
M. Guillaume LEGROS Université d'Orléans Examinateur
M. Mahmoud IDIR CNRS Orléans Co-encadrant de thèse
Mme Virginie GILARD Université d'Orléans Co-encadrante de thèse
RÉSUMÉ
Dans la littérature, les effets d’un champ électrique sur la stabilité des flammes et les émissions polluantes sont étudiés. L’objectif de cette thèse est de détailler ces effets au niveau de la formation de suie et la stabilité d’une flamme de diffusion d’éthylène.
Pour ce faire, les techniques de diagnostic optique et d’imagerie ainsi que la modélisation numérique CFD sont développées. Dans un premier temps, la technique d’Extinction/ Diffusion Rayleigh est utilisée pour la caractérisation des particules. L’effet du champ électrique est mis en évidence en comparant les résultats avec et sans un champ électrique. Le champ électrique génère un vent ionique dont l’action sur la formation des précurseurs et des nucleus et sur l’agglomération des particules est démontrée. Cette action se manifeste par une réduction de la fraction volumique et la concentration de suie qui est accompagnée par une élévation du diamètre moyen des particules et du rayon de giration.
Le modèle numérique élaboré pour intégrer l’effet du champ électrique sur la combustion montre également l’effet du vent ionique. Ce vent agit principalement au niveau de l’injecteur où des modifications importantes de l’écoulement et la formation des ions sont détectées. En outre, le champ électrique a un effet favorable sur la stabilisation de la flamme de diffusion où le vent ionique agit sur le tourbillon périphérique à la flamme pour empêcher le flickering de s’établir. En parallèle, l’effet de la position et la taille d’un stabilisateur mécanique contrôlant l’aérodynamique externe de la flamme est analysée. Ce type de stabilisateur a montré une capacité à stabiliser une flamme de diffusion en empêchant les vortex de se former dans la zone de combustion.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Ahmad SAYED KASSEM
Energétique
Étude des effets du champ électrique sur la formation de suie et la stabilité d'une flamme de diffusion laminaire d'éthylène.
MEMBRES DU JURY :
Mme Pascale GILLON CNRS Saint Nazaire Directrice de thèse
Mme Silvana DE IULIIS CNR Milan Rapporteure
M. Marc BELLENOUE Université de Poitiers Rapporteur
M. Alexis MATYNIA Sorbonne Université Examinateur
M. Fouzi TABET Deutsches Biomasseforschungszentrum Examinateur
M. Guillaume LEGROS Université d'Orléans Examinateur
M. Mahmoud IDIR CNRS Orléans Co-encadrant de thèse
Mme Virginie GILARD Université d'Orléans Co-encadrante de thèse
RÉSUMÉ
Dans la littérature, les effets d’un champ électrique sur la stabilité des flammes et les émissions polluantes sont étudiés. L’objectif de cette thèse est de détailler ces effets au niveau de la formation de suie et la stabilité d’une flamme de diffusion d’éthylène.
Pour ce faire, les techniques de diagnostic optique et d’imagerie ainsi que la modélisation numérique CFD sont développées. Dans un premier temps, la technique d’Extinction/ Diffusion Rayleigh est utilisée pour la caractérisation des particules. L’effet du champ électrique est mis en évidence en comparant les résultats avec et sans un champ électrique. Le champ électrique génère un vent ionique dont l’action sur la formation des précurseurs et des nucleus et sur l’agglomération des particules est démontrée. Cette action se manifeste par une réduction de la fraction volumique et la concentration de suie qui est accompagnée par une élévation du diamètre moyen des particules et du rayon de giration.
Le modèle numérique élaboré pour intégrer l’effet du champ électrique sur la combustion montre également l’effet du vent ionique. Ce vent agit principalement au niveau de l’injecteur où des modifications importantes de l’écoulement et la formation des ions sont détectées. En outre, le champ électrique a un effet favorable sur la stabilisation de la flamme de diffusion où le vent ionique agit sur le tourbillon périphérique à la flamme pour empêcher le flickering de s’établir. En parallèle, l’effet de la position et la taille d’un stabilisateur mécanique contrôlant l’aérodynamique externe de la flamme est analysée. Ce type de stabilisateur a montré une capacité à stabiliser une flamme de diffusion en empêchant les vortex de se former dans la zone de combustion.
19 Janvier 2021, via Zoom
Journée des doctorants en combustion
Cher.e.s collègues, cette année la crise sanitaire nous impose d’organiser en visioconférence notre réunion annuelle : la Journée François Lacas.
La Journée des Doctorants en Combustion et l’assemblée Générale du GFC se tiendront donc via Zoom le 19 janvier 2021. La date limite de soumission de votre abstract est fixée au 20 décembre 2020.
Vous trouverez ci-dessous et sur le site du GFC, les informations et formulaires d'inscription.
Comme les années précédentes, l'adhésion au GFC fait office de frais d’inscription.
Journée des doctorants en combustion
Cher.e.s collègues, cette année la crise sanitaire nous impose d’organiser en visioconférence notre réunion annuelle : la Journée François Lacas.
La Journée des Doctorants en Combustion et l’assemblée Générale du GFC se tiendront donc via Zoom le 19 janvier 2021. La date limite de soumission de votre abstract est fixée au 20 décembre 2020.
Vous trouverez ci-dessous et sur le site du GFC, les informations et formulaires d'inscription.
Comme les années précédentes, l'adhésion au GFC fait office de frais d’inscription.
Le 8 octobre à 10h30, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Alexandre BRACONNIER Energétique
Étude expérimentale de la combustion d'une particule d'aluminum isolée : influence de la pression et de la composition de l'atmosphère oxydante.
Experimental study of a single burning aluminum particle: influence of the pressure and composition of the oxidizing atmosphere.
MEMBRES DU JURY :
M. Christian CHAUVEAU CNRS Directeur de thèse
Mme Valérie TSCHAMBER Université de Haute-Alsace Rapporteur
M. Olivier DUFAUD Université de Lorraine Rapporteur
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Co-directeur de thèse
M. Laurent CATOIRE ENSTA Paris Tech Examinateur
M. Robin DEVILLERS ONERA Examinateur
M. Stany GALLIER ArianeGroup Examinateur
RÉSUMÉ
Les poudres d'aluminium possèdent des propriétés énergétiques intéressantes et sont couramment intégrées à la composition de certains propergols solides pour améliorer les performances des systèmes de propulsion. Néanmoins, la présence d’une phase dispersée au sein de l'écoulement propulsif peut altérer la stabilité des moteurs à propergol solide (MPS) et l'utilisation du potentiel énergétique des particules d'aluminium nécessite d'être optimisée pour accroître davantage le rendement moteur. Des enjeux majeurs sont alors associés à la modélisation du processus réactionnel des gouttes afin d’améliorer les outils numériques prédictifs utilisés pour concevoir les MPS.
Cependant, la compréhension du phénomène de combustion des particules d'aluminium reste encore limitée et les données expérimentales disponibles s'avèrent être lacunaires, en particulier pour le cadre d'application des MPS. En ce sens, basée sur un dispositif permettant d'isoler une particule métallique en lévitation dans un milieu contrôlé, l'étude proposée a permis d’obtenir des résultats inédits dans cette thématique. Des axes de réflexion essentiels sur la phénoménologie de réaction ont été introduits, principalement sur les effets résultant de l’accumulation de produits condensés en surface de la goutte durant la combustion.
Différentes hypothèses ont ainsi été discutées quant aux mécanismes impliqués dans ce processus. Une quantité significative de données a également été rapportée sur les paramètres de combustion caractéristiques, permettant de préciser la contribution respective des paramètres définissant le milieu réactif. Les efficacités oxydantes du O2, du CO2 et du CO ont été quantifiées, le monoxyde de carbone agissant alors sensiblement comme un inerte, au même titre que le N2. L'effet de la pression sur le temps de réaction a aussi été déterminé et s’avère être relativement limité. Enfin, une nouvelle loi empirique a été formulée afin d’estimer le temps de combustion des gouttes d’aluminium d’après leur taille et les conditions ambiantes, suggérant en outre que le processus réactionnel global de l'aluminium ne peut être convenablement décrit par la loi théorique du D2.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Alexandre BRACONNIER Energétique
Étude expérimentale de la combustion d'une particule d'aluminum isolée : influence de la pression et de la composition de l'atmosphère oxydante.
Experimental study of a single burning aluminum particle: influence of the pressure and composition of the oxidizing atmosphere.
MEMBRES DU JURY :
M. Christian CHAUVEAU CNRS Directeur de thèse
Mme Valérie TSCHAMBER Université de Haute-Alsace Rapporteur
M. Olivier DUFAUD Université de Lorraine Rapporteur
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Co-directeur de thèse
M. Laurent CATOIRE ENSTA Paris Tech Examinateur
M. Robin DEVILLERS ONERA Examinateur
M. Stany GALLIER ArianeGroup Examinateur
RÉSUMÉ
Les poudres d'aluminium possèdent des propriétés énergétiques intéressantes et sont couramment intégrées à la composition de certains propergols solides pour améliorer les performances des systèmes de propulsion. Néanmoins, la présence d’une phase dispersée au sein de l'écoulement propulsif peut altérer la stabilité des moteurs à propergol solide (MPS) et l'utilisation du potentiel énergétique des particules d'aluminium nécessite d'être optimisée pour accroître davantage le rendement moteur. Des enjeux majeurs sont alors associés à la modélisation du processus réactionnel des gouttes afin d’améliorer les outils numériques prédictifs utilisés pour concevoir les MPS.
Cependant, la compréhension du phénomène de combustion des particules d'aluminium reste encore limitée et les données expérimentales disponibles s'avèrent être lacunaires, en particulier pour le cadre d'application des MPS. En ce sens, basée sur un dispositif permettant d'isoler une particule métallique en lévitation dans un milieu contrôlé, l'étude proposée a permis d’obtenir des résultats inédits dans cette thématique. Des axes de réflexion essentiels sur la phénoménologie de réaction ont été introduits, principalement sur les effets résultant de l’accumulation de produits condensés en surface de la goutte durant la combustion.
Différentes hypothèses ont ainsi été discutées quant aux mécanismes impliqués dans ce processus. Une quantité significative de données a également été rapportée sur les paramètres de combustion caractéristiques, permettant de préciser la contribution respective des paramètres définissant le milieu réactif. Les efficacités oxydantes du O2, du CO2 et du CO ont été quantifiées, le monoxyde de carbone agissant alors sensiblement comme un inerte, au même titre que le N2. L'effet de la pression sur le temps de réaction a aussi été déterminé et s’avère être relativement limité. Enfin, une nouvelle loi empirique a été formulée afin d’estimer le temps de combustion des gouttes d’aluminium d’après leur taille et les conditions ambiantes, suggérant en outre que le processus réactionnel global de l'aluminium ne peut être convenablement décrit par la loi théorique du D2.
Le 15 septembre à 10h30, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Guillaume RENOUX Energétique
Étude expérimentale de l'interaction goutte/flamme : propagation d'une flamme dans un aérosol en microgravité et passage d’une goutte à travers un front de flamme.
Experimental study of droplet/flame interaction: propagation of a flame in an aerosol in microgravity and passage of a droplet through a flame.
MEMBRES DU JURY :
M. Christian CHAUVEAU CNRS Directeur de thèse
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Co-directeur de thèse
M. Cyril CRUA University of Brighton Rapporteur
M. Vincent ROBIN Université de Poitiers Rapporteur
M. Pierre HALDENWANG Université Aix-Marseille Examinateur
M. Vincent MOUREAU CNRS Examinateur
M. Christophe DELAROCHE CNES Invité
RÉSUMÉ
La combustion de carburants liquides est l'une des principales méthodes de conversion d'énergie utilisée dans une large gamme d'applications, allant des moteurs à combustion interne aux moteurs fusées, jusqu’aux turbomachines et les fours industriels.
La combustion des aérosols est un phénomène très complexe mettant en jeu de nombreux processus tels que l’atomisation, la vaporisation, la dynamique des fluides ou la cinétique chimique. Ces travaux de thèse se placent ainsi dans le cadre de l’investigation expérimentale et fondamentale de l’interaction entre flammes et gouttes, dans un but à la fois phénoménologique et de compréhension des processus physiques.
Le centre d’intérêt a été dans un premier temps la caractérisation de la propagation d’une flamme laminaire sphérique dans un aérosol de carburant mono disperse, et plus spécifiquement la stabilité et la morphologie de ces flammes, pour lesquelles ont été menées des études quantitatives. Ces expériences ont été réalisées au cours de plusieurs campagnes de vols paraboliques à bord de l'avion ZERO-G du CNES afin de se soustraire aux problèmes de sédimentation causés par la pesanteur.
Dans un second temps, l’étude s’est dirigée vers une configuration expérimentale plus fondamentale, celle d’une goutte isolée incidente à un front de flamme plat et stationnaire. Ces nouvelles expériences ont permis d’observer à la fois la déformation de la flamme lors du passage de la goutte ainsi que l’évaporation de celle-ci dans le front de flamme et dans les gaz brûlés.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR
Guillaume RENOUX Energétique
Étude expérimentale de l'interaction goutte/flamme : propagation d'une flamme dans un aérosol en microgravité et passage d’une goutte à travers un front de flamme.
Experimental study of droplet/flame interaction: propagation of a flame in an aerosol in microgravity and passage of a droplet through a flame.
MEMBRES DU JURY :
M. Christian CHAUVEAU CNRS Directeur de thèse
M. Fabien HALTER Université d'Orléans Co-directeur de thèse
M. Cyril CRUA University of Brighton Rapporteur
M. Vincent ROBIN Université de Poitiers Rapporteur
M. Pierre HALDENWANG Université Aix-Marseille Examinateur
M. Vincent MOUREAU CNRS Examinateur
M. Christophe DELAROCHE CNES Invité
RÉSUMÉ
La combustion de carburants liquides est l'une des principales méthodes de conversion d'énergie utilisée dans une large gamme d'applications, allant des moteurs à combustion interne aux moteurs fusées, jusqu’aux turbomachines et les fours industriels.
La combustion des aérosols est un phénomène très complexe mettant en jeu de nombreux processus tels que l’atomisation, la vaporisation, la dynamique des fluides ou la cinétique chimique. Ces travaux de thèse se placent ainsi dans le cadre de l’investigation expérimentale et fondamentale de l’interaction entre flammes et gouttes, dans un but à la fois phénoménologique et de compréhension des processus physiques.
Le centre d’intérêt a été dans un premier temps la caractérisation de la propagation d’une flamme laminaire sphérique dans un aérosol de carburant mono disperse, et plus spécifiquement la stabilité et la morphologie de ces flammes, pour lesquelles ont été menées des études quantitatives. Ces expériences ont été réalisées au cours de plusieurs campagnes de vols paraboliques à bord de l'avion ZERO-G du CNES afin de se soustraire aux problèmes de sédimentation causés par la pesanteur.
Dans un second temps, l’étude s’est dirigée vers une configuration expérimentale plus fondamentale, celle d’une goutte isolée incidente à un front de flamme plat et stationnaire. Ces nouvelles expériences ont permis d’observer à la fois la déformation de la flamme lors du passage de la goutte ainsi que l’évaporation de celle-ci dans le front de flamme et dans les gaz brûlés.
