Soutenance de thèse de Felipe ESCUDERO BARROS

L'émission de particules de suie dans l'environnement est devenue une préoccupation majeure au cours des dernières décennies. La masse totale de suie rejetée dans l'atmosphère joue un rôle important dans le changement climatique mondial. Ces particules ont également un effet toxique sur la santé des êtres vivants, qui dépend de la taille et du nombre total de particules primaires constituant l'agrégat de suie. Dans le présent travail, une étude expérimentale et numérique de la production de suie dans le contexte de flammes de diffusion laminaires axisymétriques a été réalisée. Premiérement, une étude expérimentale a été réalisée avec le but principal de caractériser la production de suie pour différents indices d'oxygène (OI) dans des flammes de diffusion normale (NDF) et inverse (IDF). Des méthodes spécifiques ont été développées, mises en œuvre et validées pour mesurer la fraction volumique et la température de la suie. Pour les IDFs, une augmentation de l'OI augmente la formation de suie mais n'affectent pas les processus d'oxydation, ce qui conduit à une augmentation de la fraction volumique de la suie et de la fraction rayonnée. De plus, une augmentation de l'OI a produit une augmentation de la fraction volumique de suie, de la température et de la fraction rayonnée pour les NDF situés sous le point de fumée (SP). De plus, une analyse dimensionelle basée sur le SP a permis d'unifier le comportements pour les NDFs générées par la combustion de l'éthylène, du propane et du butane en termes de hauteur de flamme, de fraction volumique de suie et de fraction rayonnée au SP. Dans une deuxième étape, une étude numérique a été réalisée avec pour objectif principal d'évaluer les capacités de la méthode sectionnelle (SM) et trois méthodes des moments (MOM) à prédire la structure morphologique des particules de suie. À cette fin, les MOMs ont été impléméntées dans un code parallèle existant pour la simulation des flammes de diffusion laminaires axisymétriques. Les résultats ont montré que la SM est capable de reproduire les données expérimentales disponibles, tandis que les MOMs ne sont pas en mesure de prédire tous les détails de la morphologie des particules de suie avec le même niveau de précision. Une analyse des principales différences entre la SM et les MOM a été réalisée. Le principale raison des différences observées entre les MOMs et la SM est liée a l'impossibilité des MOMs à satisfaire l'hypothése de conservation du nombre densité de particules primaires et du nombre de particules primaires par agrégat pendant les processus de croissance surfacique de la suie.

The release of soot particles into the environment has become a major concern over the last decades. The total mass of soot released to the atmosphere plays an important role on global climate change. These particles also have a toxic effect on the health of living beings, which depends on the size and total number of particles conforming the soot aggregate. In the present work, an experimental and numerical study of soot production in the context of laminar axisymmetric diffusion flames was carried out in order to assess these issues. In a first step, an experimental study was performed with the main objective of characterizing soot production for different oxygen indices (OIs) in normal (NDFs) and inverse (IDFs) diffusion flames. Specific absorption-emission based methods were developed, implemented and validated to measure soot volume fraction and temperature. It was found that for IDFs, an increase on the OI produces an enhancement of soot formation but does not affect oxidation processes, leading to an increase on soot volume fraction and radiant fraction. In addition, an increase on the OI produced an increased soot volume fraction, temperature and radiant fraction for NDFs under the smoke point (SP). In addition, a scaling analysis based on the SP resulted on a unified behavior for ethylene, propane and butane fueled NDFs in terms of flame height, soot volume fraction and radiant fraction at SP. In a second step, a numerical study was performed with the main objective of evaluating the predictive capabilities of the sectional method (SM) and three methods of moments (MOMs) for the resolution of the population balance equation (PBE) for soot particle size distribution (PSD). For this purpose, the MOMs were added to an existing parallel code for simulating laminar axisymmetric diffusion flames. The SM was able to reproduce the available experimental data whereas the MOMs were not able to predict details of soot morphology with the same level of accuracy. An analysis on the main differences between the SM and MOMs was performed. The main issue identified for the MOMs was the inability to satisfy the assumption of conservation of number density of primary particles and number of primary particles per aggregate during soot surface processes.