Soutenance de thèse de TAWDI Nihal
Titre de thèse
Interactions entre un front de réaction autocatalytique et l'écoulement ambiant : rôle de la turbulence imposée et de la flottabilité induite dans la dynamique de propagation.
Interactions between an autocatalytic reaction front and ambient flow: role of imposed turbulence and induced buoyancy in propagation dynamics.
Résumé de la thèse
La relation entre la vitesse de propagation d'une flamme mince et l'intensité de la turbulence de l'écoulement ambiant est largement débattue dans la littérature, donnant lieu à diverses paramétrisations (par exemple [1]-[5]).
Selon l'analyse de Damköhler [1] basée sur le modèle de propagation de Huygens, un front de flamme se propage avec une vitesse normale constante même lorsqu'il est plissé par la turbulence. Cependant, les expériences utilisant des réactions de combustion exothermiques s'écartent de ce modèle. L'analyse de ces expériences est rendue complexe par le couplage des effets turbulents et thermiques, ce qui limite l'amélioration potentielle de la caractérisation de l'accélération de la flamme spécifiquement influencée par la turbulence grâce à l'augmentation de la surface réactive.
Afin de tester et d'améliorer la théorie originale de Damköhler, une réaction chimique autocatalytique est étudiée de manière approfondie expérimentalement et numériquement. Analogue à une réaction de combustion, elle produit un mince front réactif séparant les réactifs des produits dans un milieu aqueux. Cependant, ce front réactif ne présente pas d'effets de compressibilité ou thermiques significatifs, et se propage à une vitesse beaucoup plus faible, ce qui en facilite la métrologie. En conséquence, il permet de quantifier l'influence spécifique de la turbulence sur la vitesse et la forme du front dans un cadre mieux contrôlé.
Dans le dispositif expérimental, la turbulence est générée par un système de grilles oscillantes générant de la turbulence dans un cuve fermée. Ce dispositif unique offre deux configurations différentes : une configuration à grille unique produisant une turbulence spatialement décroissante, et un système à double grille générant une région quasi-homogène et isotrope. Les mesures couplées de PIV et LIF permettent de suivre simultanément le champ de vitesse et la propagation du front. En conséquence, deux régimes ont été identifiés : un régime de propagation et un régime de mélange réactif, qui peuvent coexister en fonction du mécanisme de génération de la turbulence.
En outre, les effets de flottabilité, résultant de la différence de densité entre les produits et les réactifs, se sont avérés inévitables même pour une faible valeur, jouant finalement un rôle crucial dans la dynamique du front tout en influençant également la turbulence imposée.
L'approche expérimentale est complétée par des simulations numériques résolvant la propagation d'un front
front de réaction dans divers écoulements imposés au moyen d'une équation d'advection-diffusion-réaction utilisant le solveur de Dedalus [6].
Cette étude contribue à une compréhension améliorée des fronts autocatalytiques dans les environnements turbulents, révélant des interactions clés entre la dynamique chimique et la dynamique de l'écoulement.
1. Damköhler, G., Der einfluss der turbulenz auf die flammengeschwindigkeit in gasgemischen. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, 46(11), 601-626 (1912).
2. Schelkin K.I., Zhur. Techn. Fiz. 520 (no. 1110) (1943).
3. Clavin, P. & Williams. F. A., Theory of premixed-flame propagation in large-scale turbulence, Journal of fluid mechanics, 90.3, 589-604 (1979).
4. Klimov, A.M., Premixed turbulent flames—interplay of hydrodynamic and chemical phenomena, Flames, lasers, and reactive systems, vol. 88, 133-146 (1983).
5. Gülder, Ö. L., Turbulent premixed flame propagation models for different combustion regimes, Symposium (International) on Combustion, Vol. 23. No. 1. Elsevier, (1991).
6. Burns K. J., Vasil G. M., Oishi J. S., Lecoanet D., Brown B. P., Dedalus: A Flexible Framework for Numerical Simulations with Spectral Methods, Physical Review Research, vol. 2, no. 2, (2020): 023068.
Thesis resume
The relation between the propagation velocity of a thin flame and the turbulence intensity of the ambient flow is largely debated in the literature, giving rise to various parametrisations (e.g. [1]-[5]).
According to Damköhler's analysis [1], based on the Huygens propagation model, a flame front propagates with a constant normal velocity even when wrinkled by turbulence. However, experiments using exothermic combustion reactions deviate from this model. The analysis of these experiments is complicated by the intermingling of turbulent and thermal effects, restricting potential improvement of flame acceleration characterization specifically influenced by turbulence through the enhancement of the reactive surface area.
To test and improve Damköhler's original theory, an autocatalytic chemical reaction is extensively studied experimentally and numerically. Analogous to a combustion reaction, it produces a thin reactive front separating the reactants from the products in an aqueous medium. Yet, this reactive front does not show significant compressibility or thermal effects, and propagates at a much smaller velocity, hence facilitating metrology. Accordingly, it allows to quantify the specific influence of turbulence on the speed and shape of the front in a refined framework.
In the experimental set-up, turbulence is generated by a system of oscillating grids generating turbulence in a closed tank. This sole apparatus provides two different configurations : a single-grid configuration producing spatially decaying turbulence, and a dual-grid system generating a nearly homogeneous, isotropic region. Coupled measurements of PIV and LIF allow to follow, simultaneously, the velocity field and the propagation of the front. As a result, two regimes were identified : a propagation regime and a reactive mixing regime, which might coexist depending on the turbulence generation mechanism.
Furthermore, buoyancy effects, arising from the density difference between products and reactants, turned out to be inevitable even for the slightest value, ultimately playing a crucial role in the front dynamics while also influencing the imposed turbulence.
The experimental approach is complemented by numerical simulations solving the propagation of a reaction front in various imposed flows by the mean of an advection-diffusion-reaction equation using the Dedalus solver [6].
This study advances understanding of autocatalytic fronts in turbulent environments, revealing key interactions between chemical and flow dynamics.
1. Damköhler, G., Der einfluss der turbulenz auf die flammengeschwindigkeit in gasgemischen. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, 46(11), 601-626 (1912).
2. Schelkin K.I., Zhur. Techn. Fiz. 520 (no. 1110) (1943).
3. Clavin, P. & Williams. F. A., Theory of premixed-flame propagation in large-scale turbulence, Journal of fluid mechanics, 90.3, 589-604 (1979).
4. Klimov, A.M., Premixed turbulent flames—interplay of hydrodynamic and chemical phenomena, Flames, lasers, and reactive systems, vol. 88, 133-146 (1983).
5. Gülder, Ö. L., Turbulent premixed flame propagation models for different combustion regimes, Symposium (International) on Combustion, Vol. 23. No. 1. Elsevier, (1991).
6. Burns K. J., Vasil G. M., Oishi J. S., Lecoanet D., Brown B. P., Dedalus: A Flexible Framework for Numerical Simulations with Spectral Methods, Physical Review Research, vol. 2, no. 2, (2020): 023068.