Investigation of the the electric field effects on soot formation and stability of a laminanr diffusion flame of ethylene
Étude des effets du champ électrique sur la formation de suie et la stabilité d'une flamme de diffusion laminaire d'éthylène
Résumé
In the literature, the effects of an electric field on flame stability and pollutant emissions are investigated The aim of this thesis is to detail these effects on soot formation and stability in an ethylene diffusion flame. To do this, optical diagnostic and imaging techniques with digital CFD modeling are employed. First, the Rayleigh Extinction / Scattering technique is used for the particles characterization. The effect of the electric field is evidenced by comparing the results with and without an electric field. The electric field generates an ionic wind which action on the formation of precursors and nucleus and on the agglomeration of particles is shown. A decrease in soot volume fraction and particles' concentration was detected with an increase in particles' diameter and radius of gyration. The effect of ionic wind is also demonstrated by the numerical model developed to integrate the effect of the electric field on combustion. This wind acts mainly near the injector area where significant changes in flow and ion formation are detected. Besides, the electric field has a favorable effect on the stabilization of the diffusion flame where the ionic wind can limit the action of the vortex and prevent flickering from taking place. In parallel, the effect of the position and size of a mechanical stabilizer controlling the external aerodynamics of the flame is discussed. This type of stabilizer has shown an ability to stabilize a diffusing flame by preventing vortices from forming in the combustion zone.
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.