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Caractérisation expérimentale et numérique de la flamme de carburants synthétiques gazeux

Ouimette, Pascale (2012). Caractérisation expérimentale et numérique de la flamme de carburants synthétiques gazeux. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Résumé traduit

The goal of this research is to characterize experimentally and numerically laminar flames of syngas fuels made of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO2). More specifically, the secondary objectives are: 1) to understand the effects of CO2 concentration and H2/CO ratio on NOx emissions, flame temperature, visible flame height, and flame appearance; 2) to analyze the influence of H2/CO ratio on the flame structure, and; 3) to compare and validate different H2/CO kinetic mechanisms used in a CFD (computational fluid dynamics) model over different H2/CO ratios. Thus, the present thesis is divided in three chapters, each one corresponding to a secondary objective. For the first part, experimentations enabled to conclude that adding CO2 diminishes flame temperature and EINOx for all equivalence ratios while increasing the H2/CO ratio has no influence on flame temperature but increases EINOx for equivalence ratios lower than 2. Concerning flame appearance, a low CO2 concentration in the fuel or a high H2/CO ratio gives the flame an orange color, which is explained by a high level of CO in the combustion by-products. The observed constant flame temperature with the addition of CO, which has a higher adiabatic flame temperature, is mainly due to the increased heat loss through radiation by CO2.

Because NOx emissions of H2/CO/CO2 flames are mainly a function of flame temperature, which is a function of the H2/CO ratio, the rest of the thesis concentrates on measuring and predicting species in the flame as a good prediction of species and heat release will enable to predict NOx emissions. Thus, for the second part, different H2/CO fuels are tested and major species are measured by Raman spectroscopy. Concerning major species, the maximal measured H2O concentration decreases with addition of CO to the fuel, while the central CO2 concentration increases, as expected. However, at 20% of the visible flame height and for all fuels tested herein, the measured CO2 concentration is lower than its stoechiometric value while the measured H2O already reached its stoechiometric concentration. The slow chemical reactions necessary to produce CO2 compared to the ones forming H2O could explain this difference. For the third part, a numerical model is created for a partially premixed flame of 50% H2 / 50% CO. This model compares different combustion mechanisms and shows that a reduced kinetic mechanism reduces simulation times while conserving the results quality of more complex kinetic schemes. This numerical model, which includes radiation heat losses, is also validated for a large range of fuels going from 100% H2 to 5% H2 / 95% CO. The most important recommendation of this work is to include a NOx mechanism to the numerical model in order to eventually determine an optimal fuel. It would also be necessary to validate the model over a wide range for different parameters such as equivalence ratio, initial temperature and initial pressure.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [163]-170.
Mots-clés libres: Gaz (Carburant) Flamme. Air Pollution. Simulation par ordinateur. Caractérisation, CO, CO2, Expérimental, H2, Laminaire, Numérique, Structure, Synthétique, Carburants synthétiques gazeux, NOx, Simulation numérique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 mars 2012 14:09
Dernière modification: 07 mars 2017 20:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/953

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