Caractérisation expérimentale et numérique de la flamme de carburants synthétiques gazeux

Résumé

Ce projet de recherche vise à caractériser expérimentalement et numériquement la flamme laminaire de carburants synthétiques gazeux composés d’hydrogène (H2), de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). Les objectifs secondaires consistent plus précisément à : 1) comprendre l’influence de l’addition de CO2 dans le carburant et du ratio H2/CO sur les émissions polluantes de NOx, la température de flamme, la hauteur de flamme et l’apparence de la flamme; 2) analyser l’influence du ratio H2/CO sur la structure chimique de la flamme et; 3) produire un modèle numérique en 2-D de la flamme laminaire afin de comparer différentes cinétiques chimiques de combustion. La structure de la thèse comporte donc trois chapitres correspondant à chacun des sous-objectifs. Pour a première partie, les manipulations expérimentales ont permis de conclure que l’addition de CO2 diminue la température de flamme de même que les EINOx pour toute la plage de richesses tandis que l’augmentation du ratio H2/CO a peu d’influence sur la température de flamme, mais entraîne une réduction des EINOx pour une richesse inférieure à 2. La température de flamme constante observée avec l’addition de CO, dont la température de flamme adiabatique est plus élevée, est principalement due à une augmentation des pertes de chaleur par radiation. Comme les NOx des flammes d’H2/CO/CO2 dépendent principalement de la température de flamme, le reste de la thèse est concentré sur la mesure des espèces chimiques majeures dans la flamme puisqu’une bonne prédiction des espèces et du dégagement de chaleur permettra de mieux prédire les NOx. Donc, pour la deuxième partie, les espèces chimiques majeures sont mesurées pour différents ratios H2/CO à l’aide de la spectroscopie Raman. Les résultats démontrent que la valeur maximale d’H2O mesurée diminue avec l’ajout de CO tandis que la concentration centrale de CO2 augmente, tel qu’attendu. Toutefois, à une hauteur correspondant à 20% de la hauteur visible de la flamme et pour tous les carburants étudiés, la concentration de CO2 mesurée est inférieure à sa valeur stoechiométrique tandis que l’H2O mesuré a déjà atteint sa valeur stoechiométrique. La lenteur des réactions chimiques produisant le CO2 comparativement à celles formant l’H2O pourrait expliquer cette différence. Pour la troisième partie, un modèle numérique a été réalisé pour une flamme laminaire 50% H2 / 50% CO partiellement prémélangée. Ce modèle compare différents mécanismes de combustion et démontre qu’un mécanisme réduit diminue le temps de calcul tout en conservant la qualité des prédictions d’un mécanisme complexe. Ce modèle, incluant les pertes de chaleur par radiation, a également été validé sur toute la plage de carburants étudiés, soit de 100% H2 à 5% H2 / 95% CO. La plus importante recommandation de cette thèse est d’inclure un mécanisme de chimie pour les émissions polluantes de NOx au modèle numérique afin de possiblement déterminer un carburant optimal. De plus, il serait nécessaire de valider le modèle numérique en réponse à la variation de différents paramètres tels que la richesse, la température initiale et la pression initiale du mélange.

Date	18 janv. 2012
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice))