Topic description
Ce projet de thèse s'inscrit dans les efforts de recherche sur les mécanismes de formation de suie, en se focalisant sur les flammes de combustibles modèles représentatifs des carburants durables pour l'aéronautique (ou SAF, Sustainable Aviation Fuels).
L'étude s'appuiera sur une approche combinant l'analyse de la cinétique chimique détaillée et une validation expérimentale. Le n-heptane, en tant qu'alcane de référence léger, sera étudié en premier lieu afin de valider les approches expérimentales par comparaison avec les données disponibles dans la littérature. Dans un second temps, la formation de suies dans des flammes de n-dodécane et d'iso-dodécane sera investiguée. Ces composés, couramment utilisés comme surrogates (composés représentatifs) des SAF, permettront d'explorer plus finement la chimie de combustion des alcanes lourds et les mécanismes fondamentaux impliqués dans la formation des suies.
Du point de vue de la cinétique chimique, ce travail consistera à évaluer la capacité des modèles existants, issus de la littérature, à reproduire la production de suies dans des configurations variées, allant de simulations 0D à des approches 2D. Pour cela, les outils Cantera [2] et Omnisoot (très récemment développé et publié [3]), seront employés pour les simulations 0D et 1D, tandis que l'outil Coflame [4] permettra d'étudier des configurations de flammes axisymétriques. L'outil Brookesia [5], développé à l'institut Jean le Rond ∂'Alembert, sera adapté afin d'intégrer les nouvelles fonctionnalités proposées par OmniSoot. Ainsi, les modèles cinétiques pourront, d'une part, être optimisés pour la formation des HAP grâce aux algorithmes évolutionnaires intégrés dans Brookesia. D'autre part, cette approche permettra de réduire les mécanismes en ciblant spécifiquement la fraction volumique de suie. Les modèles réduits seront ensuite utilisés pour des simulations sous CoFlame, numériquement plus coûteuses.
Sur le plan expérimental, des expériences seront menées sur deux configurations de références présentes à l'institut Jean le Rond ∂'Alembert, sur le site de Saint-Cyr-l'École. Pour cela, les outils expérimentaux déployés sont deux brûleurs académiques (configuration 1D / 2D) permettant de stabiliser des flammes laminaires de configuration simplifiées et reproductibles. Les analyses porteront sur des prélèvements d'échantillons gazeux, afin de mesurer les concentrations des espèces chimiques en jeu, ainsi que sur des diagnostics optiques pour caractériser les particules de suies. Les flamme n-heptane/air, déjà documentées dans la littérature [6–9] serviront de base pour valider le protocole expérimental. Les autres mesures permettront d'enrichir la base de données expérimentale disponible pour la communauté scientifique et seront employées pour tester les modèles cinétiques dans des conditions encore peu étudiées. Enfin, la confrontation des données expérimentales avec les simulations numériques permettra d'approfondir la compréhension des phénomènes physiques et chimiques impliqués dans la formation des suies.
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This thesis project is part of research efforts into the mechanisms of soot formation, focusing on flames from model fuels that are representative of sustainable aviation fuels (SAFs).
The study will be based on an approach combining detailed chemical kinetics analysis with experimental validation. n-Heptane, as a light reference alkane, will be studied first in order to validate the experimental approaches by comparison with data available in the literature. In a second phase, soot formation in n-dodecane and iso-dodecane flames will be investigated. These compounds, commonly used as surrogates for SAFs, will enable a more detailed exploration of the combustion chemistry of heavy alkanes and the fundamental mechanisms involved in soot formation.
From a chemical kinetics perspective, this work will consist of evaluating the ability of existing models, extracted from the literature, to reproduce soot production in a variety of configurations, ranging from 0D to 2D simulations. To this end, the Cantera [2] and Omnisoot (very recently developed and published [3]) tools will be used for 0D and 1D simulations, whilst the Coflame [4] tool will be used to study axisymmetric flame configurations. The Brookesia tool [5], developed at the Jean le Rond d'Alembert Institute, will be adapted to incorporate the new features offered by OmniSoot. Thus, the kinetic models will, on the one hand, be optimised for PAH formation using the evolutionary algorithms integrated into Brookesia. Furthermore, this will enable the reduction of mechanisms by specifically targeting the soot volume fraction. The reduced models will then be used for simulations in CoFlame, which are computationally more challenging.
From an experimental perspective, experiments will be conducted on two reference burner configurations at the Institut Jean le Rond d'Alembert, on the Saint-Cyr-l'École site. To this end, the experimental tools deployed consist of two academic burners (1D/2D configurations) capable of stabilising laminar flames with simplified and reproducible configurations. Analyses will focus on gas samples, to measure the concentrations of the chemical species involved, as well as on optical diagnostics to characterise soot particles. The n-heptane/air flames, already documented in the literature [6–9], will serve as a basis for validating the experimental protocol. The other measurements will enrich the experimental database available to the scientific community and will be used to test kinetic models under conditions that have not yet been extensively studied. Finally, comparing the experimental data with numerical simulations will improve our understanding of the physical and chemical phenomena involved in soot formation.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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