Etude de la Combustion Assistée par Plasma

Toto

Description

Etude de la Combustion Assistée par Plasmapar Diagnostics OptiquesièmeDominique MESSINA, 2 année de thèseDépartement Mesures Physiques Unité Diagnostics Optiques et PlasmasContexteUn phénomène d'interaction plasma/combustion a déjà été mis en évidence sur des flammesméthane/air décollée à pression atmosphérique. L'application d'impulsions nanosecondes haute tension(~ 40 kV) aux bornes de deux électrodes recouvertes d'un diélectrique crée une décharge (plasma froid)qui est à l’origine d’un rattachement de flamme. Avec une cadence de répétition de 100Hz, la flammeest stabilisée au niveau des électrodes.DémarcheL'objet de cette thèse est de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans la combustionassistée par plasma à l'aide de diagnostics optiques. Pour cela, différentes techniques seront utilisés afinde suivre l’évolution temporelle de la décharge et ses effets.Dès premiers instants après l’impulsion haute tension….L’impulsion haute tension a un temps de vie d’environ 10ns. Par collisions entre les électrons et lesneutres, des espèces très réactives se créent puis disparaissent au bout d’une centaine de nanosecondes.Une première identification de ces espèces par spectroscopie d’émission a été réalisée lors d’un post-doctorat (D Packan). On a mis en évidence l’existence des espèces C2, C, C+, CH3 produites par unedécharge dans du méthane pur et froid.…à la stabilisation de la flamme…Une étude en imagerie de fluorescence sur le radical OH, ...

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Etude de la Combustion Assistée par Plasma par Diagnostics Optiques

ième Dominique MESSINA , 2année de thèse Département Mesures Physiques Unité Diagnostics Optiques et Plasmas

Contexte Un phénomène d'interaction plasma/combustion a déjà été mis en évidence sur des flammes méthane/air décollée à pression atmosphérique. L'application d'impulsions nanosecondes haute tension (~ 40 kV) aux bornes de deux électrodes recouvertes d'un diélectrique crée une décharge (plasma froid) qui est à l’origine d’un rattachement de flamme. Avec une cadence de répétition de 100Hz, la flamme est stabilisée au niveau des électrodes. Démarche L'objet de cette thèse est de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans la combustion assistée par plasma à l'aide de diagnostics optiques. Pour cela, différentes techniques seront utilisés afin de suivre l’évolution temporelle de la décharge et ses effets. Dès premiers instants après l’impulsion haute tension…. L’impulsion haute tension a un temps de vie d’environ 10ns. Par collisions entre les électrons et les neutres, des espèces très réactives se créent puis disparaissent au bout d’une centaine de nanosecondes. Une première identification de ces espèces par spectroscopie d’émission a été réalisée lors d’un post doctorat (D Packan). On a mis en évidence l’existence des espèces C 2 , C, C+, CH 3 par une produites décharge dans du méthane pur et froid. …à la stabilisation de la flamme… Une étude en imagerie de fluorescence sur le radical OH, présent naturellement dansla zone réactive en combustion, a été réalisée sur une flamme couplée à une décharge. Il a été montré que le passage de la décharge dans le front de flamme est à l’origine d’une surproduction du radical OH à ce niveau [Figure 1]. L’ajout artificiel de ces radicaux pourrait participer à la stabilisation de la combustion. Si, aujourd’hui, la fluorescence induite par laser et la spectroscopie d’émission permettent l’identification d’espèces radicalaires excitées et leur localisation, elles ne peuvent être utilisées pour sonder les espèces stables telles que N 2 , O 2 ou encore H 2 , CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 . …en passant par un transfert énergétique par relaxation rovibrationnel…. ????

La Diffusion Raman AntiStokes Cohérente (DRASC) a été choisie pour doser les espèces stables et surtout quantifier les échanges d’énergies induits par le plasma. Une première étude a été réalisée sur un plasma créé dans un écoulement d’air. L’évolution d’un déséquilibre rovibrationnel de N 2  aété détectée et évaluée [Figure 2] sur une échelle temporelle allant de quelques dizaines de nanosecondes à 1ms en postdécharge. Une zone est sondée radialement par rapport à l’écoulement allant du centre de la décharge à 1mm par pas de 100µm. Les profils temporels [Figure 3] de ces distributions de population induite par le plasma apportent des informations importantes sur les effets de transferts d’énergies et les temps caractéristiques de relaxation. Reproduite dans un mélange de méthane/air, cette expérience permettra de doser la nouvelle répartition sur N 2 et d’observer le comportement du plasma avant et après l’allumage de la flamme. Perspectives 2005

Une étude Raman des transferts vibrationnels sur des espèces telles que H 2 , CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4  sera effectuée cette année. Pour caractériser les conditions initiales de la décharge, on se propose de déterminer la densité des électrons et leurs températures à l’aide de la diffusion Thomson.

Figure 1: Mise en évidence d’une surproduction de radicaux OH associée au passage d’une décharge dans un front de flamme

1

0.1

0.01

1E3

Trot=1000K Tvib=1900K

1

0.1

0.01

1E3

Trot=450K Tvib=800K

1E4 0 50100 150 200 250 300 100 150 200 250 3000 50 shit Raman [pixel] shit Raman [pixel]

Figure 2: Comparaison de spectres expérimentaux (noir) avec des spectres simulés (rouge) DRASC sur N 2 pour la détermination des températures rotationnelle et vibrationnelle d’une décharge dans l’air à pression atmosphérique

2500

2000

1500

1000

500

10ns

Tv ib domaine d'incertitude sur Tvib Trot domaine d'incertitude sur Trot

100ns 1µs10µs 100µs D elaientre l'impulsion haute tension et la mesure

1m s

Figure 3: Profil temporel des états rotationnel (bleu) et vibrationnel (rouge) d’une décharge dans l’air à pression atmosphérique (mesure effectuée à r= 400µm du centre de la décharge par DRASC sur N 2 )

Publications et posters

Study of plasma enhanced combustion using optical diagnostics,D. Packan, F Grisch, and B. AttalTrétout, D Messina, Réseaux Plasma Froids, Poitiers (2003)(Poster) Plasmaseeding study of a laminar hydrocarbonair flame using optical diagnostics,D. Packan, F. Grisch, P. Vervisch and B. AttalTrétout, D. Messina; International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution, Advanced in chemical Physics of the Russian academy of sciences, St.Petersburg, (2004) Study of plasma enhanced combustion using optical diagnostics,D. Packan, F Grisch, and B. AttalTrétout, D Messina, AIAA paper, Reno, (2004) Spatiotemporal study of nanosecond discharge at atmospheric pressure by cars thermometry, D Messina, F Grisch, D Packan, P Bouchardy, B Attal Trétout, ECONOS, Oxford (2005)(Poster)