Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Energétique
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Feu de nappe,mélanges n-heptane/toluène,expériences,perte de masse,température,suie,
Keywords
pool fire,n-heptane/toluene blends,experiments,burning rate,temperature,soot,
Titre de thèse
Caractérisation expérimentale des transferts de chaleur et de la combustion de feux de nappes chargés en suie à l'échelle du laboratoire
Experimental thermal and burning characterisation of lab-scale sooting pool fires
Date
Mercredi 27 Septembre 2023 à 14:00
Adresse
EDF R&D
Département Mécanique des Fluides, Energies et Environnement (MFEE)
6, quai Watier - BP 49
78401 Chatou CEDEX
Amphi H
Jury
Directeur de these |
M. Jean-Louis CONSALVI |
Aix-Marseille Université |
Rapporteur |
M. Guillaume LEGROS |
Université d'Orléans |
Rapporteur |
M. Albert SIMEONI |
Worcester Polytechnic Institute |
Examinateur |
M. Jérôme YON |
INSA Rouen |
Examinateur |
M. Fengshan LIU |
NRC Canada |
Président |
Mme Cherifa ABID |
Aix-Marseille Université |
Examinateur |
Mme Fatiha NMIRA |
EDF R&D Chatou |
Co-encadrant de these |
M. Sébastien THION |
EDF R&D |
Résumé de la thèse
Le principal objectif de cette étude est de développer une métrologie exhaustive
pour caractériser la combustion et la dynamique des feux de nappe en termes de
géométrie de flamme, de fréquence de pulsation, de débit de pyrolyse, de puissance
réelle de flamme, de transfert de chaleur vers lenvironnement incluant la rétroaction
à la surface du combustible liquide, et des statistiques de température et de fraction
volumique de suie. Les techniques de mesure spécifiques développées au cours de
ce travail comprennent une calorimétrie basée sur la consommation du dioxyde de
carbone pour déterminer la puissance de flamme réelle, une procédure expérimentale
pour déterminer le retour de chaleur total à la surface du combustible, une procedure
expérimentale pour déterminer la perte radiative vers lenvironnement, des mesures
par extinction laser pour obtenir la fraction volumique moyenne de la suie et une
technique à deux thermocouples pour extraire les statistiques en température. Ces
techniques ont été appliquées et validées pour caractériser complètement le com-
portement de feux de nappe bien contrôlés à léchelle du laboratoire de diamètres
15 cm et 30 cm en vue de leur modélisation numérique. Une grande attention a
été portée dans la conception du brûleur pour assurer une maitrise des conditions
aux limites et garantir une combustion stationnaire, bien contrôlée, et reproductible.
Dans ces expériences, lheptane a été utilisé comme carburant de référence et deux
autres mélanges heptane/toluène avec des concentrations volumiques de toluène
de 5% et 10 % ont été considérés pour augmenter la propension du carburant à pro-
duire des suies. Les résultats expérimentaux montrent que lajout de toluene entraîne
une augmentation significative de la production de la suie. La perte radiative vers
lenvironnement ainsi que le flux rétrocédé à la surface du combustible sont égale-
ment considérablement accrus. Cette augmentation saccompagne dune réduction
significative de lefficacité de la combustion, suggérant lapparition de phénomènes
dextinction radiative. A lopposé, limpact sur les statistiques de température savère
mineur. Dautre part, laugmentation du diamètre de la source de 15 cm à 30 cm
augmente la perte de masse de 25% dans le cas de flammes dheptane alors que,
pour les mêmes hauteurs normalisées par le diamètre de la source, des distributions
radiales similaires en fraction volumique de suie et en température sont observées
pour les deux diamètres.
Thesis resume
The objective of this study is to develop an exhaustive metrology to characterise the
burning and dynamics characteristics of liquid pool fires in terms of flame geometry,
puffing frequency, burning rate, actual heat release rate, heat transfer to the surround-
ings including feedback to the fuel surface, and temperature and soot volume fraction
statistics. The specific measurement techniques developed during the course of this
work include calorimetry from carbon dioxide consumption to determine the actual
heat release rate and the combustion efficiency, an experimental design to determine
the total heat feedback to the fuel surface, an experimental design to determine the
radiative loss to the surroundings, an optical technique based on laser extinction to
obtain mean soot volume fraction and a dual thermocouple technique to extract the
temperature statistics. These techniques are applied and validated to fully character-
ize the burning behaviour of well-controlled lab-scale liquid pool fires of diameters 15
cm and 30 cm in view of numerical simulations. Great attention is paid to the design
of the burner to ensure well-controlled boundary conditions and to guarantee station-
ary, well-controlled, and reproducible combustion. In these experiments heptane is
used as reference fuel and two other heptane/toluene blends with toluene volume
concentrations of 5% and 10 % are considered to increase the fuel sooting propensity.
The experimental results show that, in the case of the 15 cm pool, the addition of
toluene results in a significant enhancement of soot production with the peak of mean
soot volume fraction increasing from 0.62 ppm to 1.11 ppm as the heptane doping
increased up to 10%. Radiative loss to the surroundings and total heat feedback to
the fuel surface are also significantly enhanced. This is accompanied by a significant
reduction in combustion efficiency, which suggests the appearance of radiative ex-
tinction events. In an opposite way, the impact on the temperature statistics is low.
On the other hand, increasing the pool diameter from 15 cm to 30 cm in the case of
heptane, increases the burning rate by 25% whereas, for same heights normalized by
the pool diameter, similar radial distributions of mean soot volume fraction and mean
and fluctuating temperature distributions are observed for the two pool diameters.