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PhD Etude Expérimentale des jets hétérogènes. Effet de la Diffusion Différentielle - CORIA, Rouen (France)

Du 1 septembre 2021 au 31 août 2024

Laboratoire CORIA
Rouen, France

For further information, please contact
Emilien Varea : emilien.varea@coria.fr

Ce projet vise à apporter des éléments concrets de recherche fondamentale pour analyser, modéliser et prédire la dynamique des fluides et le mélange scalaire associé, des jets dilués à l’hydrogène. Le cas spécifique des effets de diffusion différentielle sera abordé.

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DIDJET
Etude Expérimentale des jets hétérogènes. Effet de la Diffusion Différentielle

Résumé :

Ce projet vise à apporter des éléments concrets de recherche fondamentale pour analyser, modéliser et prédire la dynamique des fluides et le mélange scalaire associé, des jets dilués à l’hydrogène. Le cas spécifique des effets de diffusion différentielle sera abordé.

Contexte :

Dans les systèmes énergétiques actuels, la plupart des processus mettent en jeu des injections de carburant sous forme de jets. La production d’énergie thermique des flammes turbulentes permet d’actionner une turbine, un piston ou de réchauffer un fluide caloporteur. Avant le dégagement d’énergie sous forme de chaleur, un mélange gazeux entre le carburant et l’oxydant a lieu. Dans cette étape de préparation du mélange avant combustion, il est admis que la turbulence joue un rôle majeur. En effet, bien que le mélange à grande échelle soit piloté par les dispositifs d’injection, le mélange à petite échelle (i.e. le micro-mélange) est lui piloté par la turbulence. Ainsi la qualité de la combustion et par conséquent la production d’énergie thermique est directement impactée par le mélange turbulent. Un bon mélange à l’échelle moléculaire doit donc être maitrisé.

Avec l’utilisation de fluides aux propriétés thermochimiques différentes comme l’hydrogène, nous nous interrogeons sur le mélange turbulent de fluides hétérogènes : Les questions liées aux effets de masse volumique, de viscosité et de diffusion différentielle émergent. Le problème doit être traité d’un point de vue fondamental afin de lever les verrous scientifiques et techniques imputables à l’utilisation d’hydrogène dans les systèmes énergétiques classiques.

  • Quel est l’impact du mélange turbulent de fluides hétérogènes (densité, viscosité, diffusion) sur la qualité du mélange avant combustion ?

  • Comment la diffusion différentielle modifie t’elle le mélange en proche injection ?

  • Quelles sont les caractéristiques physico-chimiques pertinentes à prendre en compte dans la

    préparation du mélange ?

  • Quels outils permettent de scruter les échelles temporelles et spatiales de l’écoulement afin de mieux

    l’analyser et de mieux prédire l’écoulement ?

  • Elaborer une nouvelle approche d’analyse basée sur l’étude des caractéristiques intrinsèques du

    mélange dans la zone dite de TNTI (Interface Turbulent/Non-Turbulent).

    Dans les mélanges considérés, un couplage de champ dynamique/champ de scalaire s’opère. Par conséquent, une caractérisation correcte du mélange est nécessaire pour décrire la dynamique de l’écoulement. Notre objectif est donc d’utiliser une approche expérimentale pour étudier les jets dilués à l’hydrogène.
    Le projet est divisé en deux blocs interconnectés : i) mélange turbulent ; ii) interface turbulence/non turbulente. Une description complète de la phénoménologie du mélange de scalaire de type hydrogène dilué dans un écoulement turbulent sera fournie.

    Objectif et Programme de la thèse

    Dans ce projet, on considèrera un jet d’hydrogène dilué sur configuration académique. Une approche basée sur des développements originaux expérimentaux est proposée afin de mieux analyser et prédire ces écoulements complexes hétérogènes et plus précisément l’influence des effets de diffusion différentielle.

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Dispositif expérimental

Les effets de diffusion différentielle sont déterminés par la concentration locale du scalaire, qui est transportée par le champ dynamique, ces deux champs, voire trois champs dans le Cas 3 doivent être mesurés simultanément. Par conséquent, un système PIV (Vélocimétrie par image de particules) associé à de la Fluorescence Induite par Laser ou Raman planaire sont utilisés en simultanés.

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Figure 1 : Schéma de l’installation expérimentale

Mesures de Vitesses

La technique stéréo-PIV sera choisie pour étudier le champ de vitesse. La troisième composante de la vitesse dans la direction tangentielle est aussi accessible. Elle permettra d’identifier la perte de symétrie instantanée de l’écoulement. Cette technique est couramment utilisée au laboratoire.

Mesures de concentration

Pour mesurer des concentrations dans des jets, on utilise généralement la technique de LIF, Clemens (2002) (Laser Induced Fluorescence). Cette technique se base sur l’ensemencement en traceurs aromatiques de types acétone, ou anisole, Voivenel (2016). Une nappe laser dans l’Ultraviolet vient exciter le traceur présent dans le jet. Le signal est collecté à l’aide d’une caméra intensifiée sensible aux longueurs d’onde de collection. Pour les jets purs de H2 et CO2, la mesure de concentration est une méthode efficace et fiable. De plus, au sein de l’équipe, cette technique est maitrisée et des outils de post traitements permettant de prendre en compte les inhomogénéités de la nappe laser et les fluctuations tir-à-tir sont disponibles, Voivenel (2017).

Dans le cas de jets dilués, il devient nécessaire de distinguer les concentrations respectives de H2 et CO2 et d’établir les cartographies de ces concentrations, notamment à l’interface. Cette configuration est beaucoup plus complexe car la mesure par LIF en ensemençant le jet ne permettra pas de distinguer les composés indépendamment. Il convient alors de sonder les espèces individuellement. Dans cette proposition, le recours à du Raman planaire est préconisé. Cette technique est déjà utilisée au laboratoire dans les cas complexes d’écoulements réactifs.

Références

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Voivenel, L. et al., Whither Turbulence and Big Data, 2017.
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