Combustion assitée par plasma – PASTEC

Les objectifs du programme sont d'élaborer et de valider un outil numérique de combustion turbulente assistée par plasma. Pour atteindre cet objectif, le projet est divisé en 5 tâches.

La tâche 1 conduit des expériences sur un brûleur prémélangé de type «bluff-body« (Mini-PAC). Le premier objectif de cette tâche, menée par CORIA, est de caractériser les propriétés de la décharge dans un environnement représentatif d'une chambre de combustion réelle, c'est-à-dire dans un mélange composé d'air, de combustible et de gaz brûlés. Cette caractérisation expérimentale servira à valider la simulation détaillée des interactions plasma-flamme. Le deuxième objectif est de fournir des données à l'échelle de la flamme pour valider le modèle LES de combustion assistée par plasma.

La tâche 2, dirigée par le CERFACS, est consacrée aux simulations numériques détaillées de la combustion assistée par plasma. Un premier objectif est de capturer l'impact du plasma sur la chimie de combustion, en développant un schéma chimique analytique prenant en compte les atomes O créés dans le plasma. Une deuxième tâche, menée en collaboration avec LPP, est l'élaboration d'un code plasma capable de simuler une décharge NRP. Le code de plasma combiné à la nouvelle chimie de combustion sera appliqué à la configuration Mini-PAC.

La tâche 3, menée par l'équipe numérique d'EM2C, vise à développer et valider le modèle LES de combustion assistée par plasma. Des simulations de la configuration académique Mini-PAC et de l'expérience semi-industrielle BIMER seront effectuées pendant cette tâche.

La tâche 4, menée par l'équipe expérimentale d'EM2C, est consacrée aux expériences sur la configuration BIMER.

La mission 5, menée par le partenaire industriel SAFRAN Turbomeca, vise à réaliser la simulation d'une chambre de combustion réelle d'hélicoptère stabilisée par décharges NRP.

Etudes expérimentales


Un brûleur Bluff-Body prémélangé (nommé ‘miniPAC’) a été dimensionné puis réalisé en 2 exemplaires strictement identiques, pour les expériences menées en parallèle au CORIA et à EM2C.

Une première série d’expériences a été réalisée au CORIA sur cette configuration. Des mesures simultanées de champs vitesse par PIV, résolues en temps, et un suivi de zones de réaction turbulentes par imagerie directe haute cadence ont été effectuées, et complétées par des mesures de Diffusion Raman Spontanée .

Les travaux expérimentaux menés au laboratoire EM2C ont porté sur la caractérisation des décharges NRP. L’équipe expérimentale a mesuré le diamètre de la décharge pour différentes richesses et quantités d’énergie déposée en fonction de la température moyennée pendant la décharge.

Etudes numériques

Le CERFACS et le LPP ont adapté le code de CFD AVBP au calcul de décharge NRP. Un élément essentiel est le choix d’une cinétique chimique pour l’air, aujourd’hui basée sur N2+ , O2+, O2-, O- et e-. Le système d’équations à résoudre contient donc un total de 8 équations : 4 pour les électrons et une pour chaque ion. A cela s’ajoute une équation de Poisson pour le champ électrique. Les premiers tests sont encourageants et ont permis de reproduire certains comportements d’un streamer conformes à la littérature.

En parallèle, un modèle de combustion assistée par plasma a été implanté par l'équipe numérique du laboratoire EM2C dans le code de calcul LES Low-Mach YALES2 et dans le code compressible LES AVBP. Le modèle est en cours de validation en comparant les résultats de différents cas tests 0D, 1D et 2D simulés avec les deux codes (YALES2, AVBP) avec des résultats expérimentaux et numériques. Des premières simulations LES d’allumage et de stabilisation de flamme par plasma, dans le cas de la configuration Mini-PAC, ont été réalisées.

Les mesures prévues sur le brûleur Mini-PAc concernent la réalisation de cartographies de température et de concentration d’espèces par Diffusion Raman Spontanée, avec et sans décharge, sur un point de fonctionnement en limite de stabilité. En parallèles des mesures vont être réalisées sur le banc expérimental BIMER, représentatif d'un foyer aéronautique.

Des simulations numériques détaillées des décharges plasma vont être conduites. Les résultats de ces calculs vont notamment permettre de paramétrer le modèle de combustion turbulente assistée par plasma. Les premières simulations de flammes turbulentes stabilisées par une décharge plasma vont alors pouvoir être réalisées. Les solutions numériques seront comparées aux résultats expérimentaux en fin de projet. Enfin la technologie NRP sera testée numériquement sur un foyer aéronautique SAFRAN réel.

Collin-Bastiani F, Vermorel O, Lacour C, Lecordier B, Cuenot B. DNS of spark ignition using Analytically Reduced Chemistry including plasma kinetics. Proceedings of the Combustion Institute. 2018.

Yacine Bechane, Nasser Darabiha, Vincent Moureau, Christophe Laux, Benoît Fiorina.Large Eddy Simulations of turbulent flame stabilization by pulsed plasma discharges. Scitech AIAA (2019)

Nelson VALDEZ, David HONORE, Corine LACOUR, Bertrand LECORDIER, Armelle CESSOU. Turbulent Bluff-Body flames close to stability limits revealed by coupling of high speed optical diagnostics. Poster présenté à la Journée des Doctorants en Combustion, Orléans, 19 janvier 2018

Du fait d’une prise de conscience environnementale accrue et du durcissement des normes associées, la réduction des émissions de polluants issus des moteurs d'avion et des turbines à gaz de production d’énergie est devenue un enjeu majeur pour les industriels du secteur. Une solution efficace pour réduire la formation des polluants est de maintenir une température de combustion basse dans la zone primaire des foyers, en diminuant par exemple la richesse du mélange. Le problème est que la diminution des températures de flamme engendre un ralentissement des vitesses de réactions chimiques, ce qui favorise les instabilités de combustion et les extinctions.

Une solution émergente, applicable à une large gamme de configurations, pour permettre la stabilisation de la combustion dans des régimes pauvres, est de générer des décharges électriques à la base de la flamme. Parmi ces différents types de décharges, les décharges Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) sont particulièrement efficaces. Malgré cette efficacité démontrée, les mécanismes fondamentaux de la combustion assistée par plasma ne sont pas bien compris. De plus, il n'existe pas d’outils numériques opérationnels pour évaluer la performance des décharges NRP dans des configurations pratiques.

L'objectif de ce projet est d'élaborer et de valider par comparaison avec des données expérimentales une stratégie de modélisation pour simuler des flammes turbulentes stabilisées par plasma dans des configurations industrielles.

Dans un premier temps, les propriétés des décharges seront caractérisées numériquement et expérimentalement dans un mélange représentatif d'une chambre de combustion, qui peut contenir des zones de recirculation composées de gaz brûlés. La connaissance des distributions spatiales et temporelles des espèces et de la température au sein de la décharge va servir à calibrer un modèle semi-empirique de combustion assistée par plasma développé récemment. Ce modèle sera formulé dans un contexte de Simulation aux Grandes Echelles (Large Eddy Simulations, LES) et implanté dans un code de CFD non structuré.
Pour construire la base de données, des expériences de combustion assistée par plasma seront effectuées sur deux configurations:

- La première est une flamme de type « bluff-body » sur laquelle il a déjà été montré que la décharge NRP permet la stabilisation de la flamme dans des régimes très pauvres. La décharge NRP est efficace lorsqu'elle est située dans la zone de recirculation des gaz située à la base de la flamme. Nous allons effectuer des mesures complémentaires sur cette configuration pour caractériser les propriétés de la composition des gaz et de l'écoulement dans cette zone de recirculation.

- La seconde configuration est une chambre de combustion « à injection swirlée », représentative des chambres de combustion aéronautiques. Elle se compose d'un injecteur à deux étages et d’une chambre de combustion rectangulaire équipée d'accès optiques. Nous allons effectuer des mesures pour caractériser l'effet du plasma sur le processus de stabilisation de la flamme. Il sera intéressant de montrer comment le plasma peut impacter de manière significative les mécanismes de stabilisation.

Le modèle LES de combustion assistée par plasma sera appliqué aux deux flammes « bluff-body » et « à injection swirlée ». Enfin, nous avons identifié la LES d'une chambre de combustion pauvre Turbomeca stabilisée par des décharges NRP comme le grand défi applicatif du projet.