PASTEC — Combustion assitée par plasma

Du fait d’une prise de conscience environnementale accrue et du durcissement des normes associées, la réduction des émissions de polluants issus des moteurs d'avion et des turbines à gaz de production d’énergie est devenue un enjeu majeur pour les industriels du secteur. Une solution efficace pour réduire la formation des polluants est de maintenir une température de combustion basse dans la zone primaire des foyers, en diminuant par exemple la richesse du mélange. Le problème est que la diminution des températures de flamme engendre un ralentissement des vitesses de réactions chimiques, ce qui favorise les instabilités de combustion et les extinctions. Une solution émergente, applicable à une large gamme de configurations, pour permettre la stabilisation de la combustion dans des régimes pauvres, est de générer des décharges électriques à la base de la flamme. Parmi ces différents types de décharges, les décharges Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) sont particulièrement efficaces. Malgré cette efficacité démontrée, les mécanismes fondamentaux de la combustion assistée par plasma ne sont pas bien compris. De plus, il n'existe pas d’outils numériques opérationnels pour évaluer la performance des décharges NRP dans des configurations pratiques. L'objectif de ce projet est d'élaborer et de valider par comparaison avec des données expérimentales une stratégie de modélisation pour simuler des flammes turbulentes stabilisées par plasma dans des configurations industrielles. Dans un premier temps, les propriétés des décharges seront caractérisées numériquement et expérimentalement dans un mélange représentatif d'une chambre de combustion, qui peut contenir des zones de recirculation composées de gaz brûlés. La connaissance des distributions spatiales et temporelles des espèces et de la température au sein de la décharge va servir à calibrer un modèle semi-empirique de combustion assistée par plasma développé récemment. Ce modèle sera formulé dans un contexte de Simulation aux Grandes Echelles (Large Eddy Simulations, LES) et implanté dans un code de CFD non structuré. Pour construire la base de données, des expériences de combustion assistée par plasma seront effectuées sur deux configurations: - La première est une flamme de type « bluff-body » sur laquelle il a déjà été montré que la décharge NRP permet la stabilisation de la flamme dans des régimes très pauvres. La décharge NRP est efficace lorsqu'elle est située dans la zone de recirculation des gaz située à la base de la flamme. Nous allons effectuer des mesures complémentaires sur cette configuration pour caractériser les propriétés de la composition des gaz et de l'écoulement dans cette zone de recirculation. - La seconde configuration est une chambre de combustion « à injection swirlée », représentative des chambres de combustion aéronautiques. Elle se compose d'un injecteur à deux étages et d’une chambre de combustion rectangulaire équipée d'accès optiques. Nous allons effectuer des mesures pour caractériser l'effet du plasma sur le processus de stabilisation de la flamme. Il sera intéressant de montrer comment le plasma peut impacter de manière significative les mécanismes de stabilisation. Le modèle LES de combustion assistée par plasma sera appliqué aux deux flammes « bluff-body » et « à injection swirlée ». Enfin, nous avons identifié la LES d'une chambre de combustion pauvre Turbomeca stabilisée par des décharges NRP comme le grand défi applicatif du projet.