Caractérisation expérimentale de la propagation d’une flamme laminaire dans un milieu diphasique (brouillard) à haute pression et en microgravité

Spray and aerosol cloud combustion accounts for 25% of the world’s energy use, and yet it remains poorly understood from both a fundamental and a practical perspective. Realistic sprays have a liquid breakup region, a dispersed multiphase flow, turbulent mixing processes, and various levels of flame interactions through the spray. Idealization of spray configurations in a quiescent environment (the starting point for models) has been impossible in 1 g due to the settling of large droplets and the buoyant pluming of post combustion gases. Testing in microgravity conditions relates to the possibility of creating aerosols without sedimentation effects. This research was to determine experimentally the flame propagation velocity in aerosols. First, the size of droplets in the aerosol was characterized using a laser diffraction particle size analyzer “Sympatec-HELOS”, and using ethanol as fuel. Second, high-Pressure combustion studies were performed using a high-Pressure combustion chamber (max pressure 12 MPa). These pieces of equipment were designed to be used in microgravity while aboard the Airbus A300-0g of the CNES. After ground tests, five parabolic flight campaigns were conducted. A systematic comparative analysis for identical initial conditions in both normal and reduced gravity was performed. The effects of initial temperature and pressure on the droplet diameter distribution of the aerosol, the effects of gravity on the flame behavior for both vapor-Air and droplet-Vapor-Air mixtures, and the effect of drops size on the flame speed and structure were all studied.L’objectif de ce travail est d’approfondir les connaissances sur les phénomènes mis en jeu lors de la combustion de carburant liquide dispersé sous forme d’aérosol. De nombreux propulseurs (moteurs de fusée, turbines à gaz, moteurs à combustion interne..) reposent sur la combustion de combustibles initialement sous forme liquide. Or, la combustion diphasique est un phénomène très complexe faisant intervenir de nombreux processus: atomisation, interaction entre gouttelettes, vaporisation, écoulement diphasique, cinétique chimique, propagation de flamme. Tous ces phénomènes étant couplés, une description complète est seulement possible par le biais de simulations numériques ; mais les investigations expérimentales sont nécessaires pour fournir des données aussi quantitatives que possible dans des configurations simples afin de proposer ou de confirmer des modèles prenant en compte ces couplages. Ainsi, des études théoriques, expérimentales et numériques, doivent être menées en parallèle pour accroître les connaissances dans le domaine de la combustion diphasique et améliorer le fonctionnement des applications actuelles. Ce travail a été initié dans le cadre du Groupement de Recherche « Micropesanteur Fondamentale et Appliquée » du CNRS et du CNES, en 2008. Il est la suite des précédents travaux sur la vaporisation et la combustion des gouttes en microgravité conduites à ICARE et soutenus par le CNES durant de longues années. Cette nouvelle étude a essentiellement porté sur la détermination expérimentale des vitesses de propagation des flammes dans un aérosol (ou brouillard). Elle s’est appuyée sur l'utilisation d’une chambre de combustion haute pression développée à ICARE. Les expériences ont été principalement conduites sous des conditions de gravité réduite, pour éviter les problèmes de sédimentation de la phase dispersée. Cet appareillage a été conçu et élaboré pour être utilisé à bord de l’Airbus A300-0g du CNES