Revisiting initiation mechanisms of gaseous detonations
Revisiter les mécanismes d'initiation des détonations gazeuses
Résumé
A combustion front can propagate in the form of two distinct waves: deflagrations, subsonic flames controlled by diffusion processes, and detonations, supersonic waves producing an intense overpressure that can have catastrophic effects. This thesis aims to motivate new approaches to deal with the complex phenomenon of the initiation of gaseous detonations, which represents a physical problem of great interest in different scientific and technological fields from explosion safety to astrophysics, including propulsion.
Based on fundamental principles, mathematical models were developed to describe two primary process of detonation initiation: direct initiation and deflagration-to-detonation transition. A combination of asymptotic and numerical methods was used to analyze the interaction of gas dynamics with the internal structure of the premixed reactive waves. First, the critical dynamics of direct initiation of detonations was studied in the asymptotic limit of small heat release. Analytical and numerical results of this study exhibit similar behaviors to those found in the opposite limit of large Mach number, which underlines the relevance of the small heat release limit. Regarding the critical conditions for direct initiation, the results highlight the critical role of the sonic condition in the transition towards a self-sustained detonation regime. The front curvature is then essential to define critical initiation criteria, since the nonlinear effect of the propagation velocity on the detonation thickness prevents the sonic condition from being reached when the front curvature exceeds a critical value. Secondly, a simplified one-dimensional model for the tip of elongated flames propagating along thin tubes was studied. In this model, flame acceleration is only driven by the expansion of the combustion products and the thermal sensitivity of the rate of combustion reactions. The feedback between both mechanisms generates criticality conditions defined by a maximum flame elongation, beyond which there is no steady solution. Numerical simulations illustrate a flame acceleration runaway mechanism when the critical flame elongation is exceeded. Consequently, the onset of the detonation occurs within the internal structure of the flame when, upon the strong acceleration, the dissipation mechanisms become significant enough to trigger the formation of a shock wave.
The findings reported in this work provide insights into detonation initiation phenomena that in a context of energy decarbonization may be relevant both to ensure the safe use of alternative fuels, such as hydrogen, and to develop a new generation of more efficient combustion engines.
Un front de combustion peut se propager sous la forme de deux ondes distinctes : les déflagrations, flammes subsoniques contrôlées par des processus de diffusion, et les détonations, ondes supersoniques produisant une surpression intense qui peut avoir des effets catastrophiques. Cette thèse vise à motiver de nouvelles approches pour traiter le phénomène complexe de l’initiation des détonations gazeuses, qui représente un problème physique d’un grand intérêt dans différents domaines scientifiques et technologiques tels que la sécurité des explosions et l’astrophysique, y compris la propulsion.
Sur la base des principes fondamentaux, des modèles mathématiques ont été développés pour décrire les deux principaux processus d’initiation des détonations : l’initiation directe et la transition déflagration-détonation. Une combinaison de méthodes asymptotiques et numériques a été utilisée pour analyser l’interaction de la dynamique des gaz avec la structure interne des ondes réactives prémélangées. Tout d’abord, la dynamique critique de l’initiation directe des détonations a été étudiée dans la limite asymptotique d’un faible dégagement de chaleur. Les résultats analytiques et numériques de cette étude montrent des comportements similaires à ceux trouvés dans la limite opposée d’un grand nombre de Mach, ce qui souligne la pertinence de la limite d’un faible dégagement de chaleur. En ce qui concerne les conditions critiques pour l’initiation directe, les résultats mettent en évidence le rôle critique de la condition sonique pour former une onde de détonation autoentretenue. La courbure du front est alors essentielle pour définir les critères d’initiation critiques, puisque l’effet non linéaire de la vitesse de propagation sur l’épaisseur de la détonation empêche la condition sonique d’être atteinte lorsque la courbure du front dépasse une valeur critique. Deuxièmement, un modèle unidimensionnel simplifié pour la pointe des flammes allongées se propageant le long de tubes minces a été étudié. Dans ce modèle, l’accélération de la flamme est uniquement due à l’expansion des produits de combustion et à la sensibilité thermique de la vitesse des réactions de combustion. La rétroaction entre les deux mécanismes génère des conditions de criticité définies par une élongation maximale de la flamme au-delà de laquelle il n’y a pas de solution stationnaire. Les simulations numériques illustrent un mécanisme d’emballement de l’accélération de la flamme lorsque l’allongement critique de la flamme est dépassé. Par conséquent, la détonation se produit dans la structure interne de la flamme lorsque, suite à une forte accélération, les mécanismes de dissipation deviennent suffisamment importants pour déclencher la formation d’une onde de choc.
Dans le contexte de la décarbonisation de l’énergie, les résultats rapportés dans ce travail donnent un aperçu des phénomènes d’initiation de la détonation qui peuvent être pertinents à la fois pour assurer l’utilisation sûre de carburants alternatifs, tels que l’hydrogène, et pour développer une nouvelle génération de moteurs à combustion plus efficaces.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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