Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Brûleur pour carburant liquide“

Le commerce informel et transfrontalier des produits pétroliers provenant du Nigéria s’est enraciné, au début des années 1990, dans un contexte de crise économique et politique marquant le passage d’un État-providence à un État libéral et de marché. La porosité de la longue bande frontalière et les accointances entre douaniers et contrebandiers ont depuis favorisé l’institutionnalisation sociale et économique d’une activité informelle pourvoyeuse d’emplois et intégratrice de milliers d’exclus, de sans-emplois et de chômeurs au Bénin. Au fil des ans, le commerce informel du carburant de contrebande (le « kpayo ») s’est socialement légitimé, s’est intégré au quotidien des populations béninoises et s’est substitué aux stations-service pratiquant des prix prohibitifs. Les multiples tentatives de l’État central pour l’éradiquer se soldent par des échecs, y compris la dernière campagne démarrée le 17 novembre 2012. Arrestations, saisies, morts et autres drames n’empêchent pas le liquide controversé de couler à flots dans les réservoirs des citoyens et de rester concurrentiel. À rebours des théories en vogue sur l’informel, ce papier adopte une posture socioanthropologique multicentrée et critique. Il associe l’économique au social et au politique pour interroger à partir de données recueillies au Bénin entre 2012 et 2014, l’action publique contre le « kpayo ». J’examine les représentations, les pratiques (non) officielles et les négociations entre un État régalien désireux de contrôler ses frontières pour augmenter les recettes douanières et un État d’usagers et de contrebandiers déterminés à maintenir coûte que coûte une activité informelle, structurant de manière décisive toute une économie formelle.

L'une des préoccupations actuelles de l'industrie aéronautique est la diminution de la consommation de carburant et de l'empreinte environnementale. En effet, les émissions aéronautiques ont un impact sur la qualité de l'air et notamment au niveau des zones aéroportuaires. Comme d'autres secteurs du transport, le trafic aérien génère des gaz à effet de serre (2 % du total dans le monde), des traînées de condensation ainsi que des particules volatiles et non volatiles (vPM et nvPM).Pour réduire ces émissions, différentes approches ont été pensées avec en particulier l'usage de carburants aéronautiques durables (SAF - Sustainable Aviation Fuels). L'objectif des SAF est de réduire les émissions nettes de CO2 et de nvPM. Cependant, la combustion de ces carburants peut entraîner la formation de nouveaux polluants qui réagissent avec l'atmosphère en formant des aérosols secondaires (SA). Dans le cadre du projet UNREAL (Unveiling Nucleation mechanism in aiRcraft Engine exhAust and its Link with fuel composition), l'objectif de ce travail était d'étudier les différents mécanismes au niveau moléculaire à l'origine de la formation de nouvelles particules à partir des rejets moteurs alimentés par des carburants de compositions différentes, allant du Jet A-1 standard à du carburant 100 % SAF.La caractérisation physico-chimique des émissions en conditions réelles en sortie moteur est un défi à la fois d'un point de vue technique et économique. Pour pallier à cela un brûleur mini-CAST, adapté à la combustion de carburants liquides aéronautiques, a été utilisé comme alternative pour obtenir des émissions comparables, dans une certaine mesure, à celles des moteurs aéronautiques. Une diminution des émissions de nvPM (concentration en nombre, concentration en masse et distribution de tailles) peut être observée en corrélation avec la quantité de composés aromatiques présents dans le carburant. De plus, l'analyse par spectrométrie de masse a révélé une diminution de l'intensité relative des HAP lors de l'emploi de carburants alternatifs. Les émissions du brûleur ont été injectées, avec ou sans filtration des suies, dans une chambre atmosphérique de vieillissement (chambre CESAM reproduisant les conditions atmosphériques au niveau du sol - LISA). Pour tous les carburants testés, la formation de vPM par nucléation homogène a été observée dans la chambre atmosphérique en l'absence de nvPM. Ce phénomène est particulièrement prononcé pour les carburants comprenant de grandes quantités de soufre dans leur composition. Cependant, dans les cas réels (présence de suies), la formation de vPM n'est observée que pour les carburants contenant de fortes quantités de soufre. La concentration de précurseurs gazeux formés pour les autres carburants n'est pas suffisante pour produire des vPM, notamment avec l'adsorption des gaz à la surface des particules de suies (nucléation hétérogène). Les techniques de caractérisation en ligne ont été complétées par des prélèvements sur filtre et une analyse par spectrométrie de masse, mettant en évidence la présence de HAP, d'hydrocarbures oxygénés, de composés soufrés et azotés. En utilisant des méthodes semi-quantitatives, il a été possible de mettre en relation la composition chimique (intensité relative de soufre et de HAP) avec la formation de vPM et leur répartition dans les phases particulaires et gazeuses des émissions
One of the actual concerns of the aviation industry is to reduce fuel consumption and environmental footprint. Indeed, aviation emissions impact air quality in and around airports. As other transport sectors, aviation effluents need to be addressed to reduce greenhouse gases contribution (2% of these emissions are related to air transport worldwide), volatile and non-volatile Particulate Matter (vPM and nvPM) and indirect impact as condensation trails.To reduce these emissions, different approaches have been investigated, in particular the use of Sustainable Aviation Fuels (SAF). Aims of SAF are to decrease the net CO2 emissions and nvPM. However, combustion of these fuels may lead to new pollutants that can react with atmosphere by formation of secondary aerosols. As part of the UNREAL project (Unveiling Nucleation mechanism in aiRcraft Engine exhAust and its Link with fuel composition), the objective of this work was to study the different molecular mechanisms of new particle formation from the exhausts of aircraft engines fed by fuels with different composition, from the standard Jet A-1 to 100 % SAF fuel.The physicochemical characterisation of the particulate emissions from aircraft engines in real conditions is challenging both from the technical and economical point of view. Thus, a mini-CAST burner, suitable for the combustion of aeronautic liquid fuels, has been used as an alternative to obtain emissions comparable to some extent to those from aircraft engines. A decrease in nvPM emissions (number concentration, mass concentration and size distribution) can be observed in correlation with the quantity of aromatic compounds in the fuel. Moreover, the analysis by mass spectrometry revealed a decrease in the relative intensity of PAHs when alternative fuels were employed . Emissions from the burner have been injected, with and without soot filtration, into an atmospheric chamber for ageing (CESAM chamber reproducing atmospheric conditions at ground level - LISA). For all fuels tested formation of vPM by homogeneous nucleation has been observed in the atmospheric chamber in absence of nvPM. This phenomenon is particularly highlighted for fuels with high amounts of sulphur in their compositions. However, in real cases (presence of soot), the formation of vPM is only observed for the fuels containing high amounts of sulphur. The concentration of gaseous precursors formed for other fuels was not enough to produce vPM after being adsorbed on soot surface (heterogeneous nucleation). On-line characterisation techniques were completed by filter sampling and off-line mass spectrometry analysis, highlighting the presence of PAHs, oxygenated hydrocarbons, sulphur and nitrogen compounds. By employing semi-quantitative methods, it was possible to link the relative chemical composition (sulphur and PAH relative intensity) with vPM formation and their repartitions in particulate and gaseous phases

Les normes environnementales de plus en plus contraignantes imposées au transport aérien poussent les industriels à faire évoluer les chambres de combustion actuelles. Pour réduire les émissions polluantes, la combustion pauvre, prémélangée et prévaporisée est une alternative intéressante. Cette technologie peut cependant conduire à une flamme moins stable et peut générer des instabilités de combustion néfastes pour le moteur. Afin d’améliorer le contrôle sur de tels systèmes de combustion, les brûleurs à plusieurs étages offrent une flexibilité supplémentaire par l’intermédiaire de la répartition du carburant entres les différents systèmes d’injection, et permet donc d’influencer la position de la flamme ou le régime de combustion. Le banc expérimental BIMER a été spécialement développé au laboratoire EM2C pour étudier cette solution. Il a été conçu pour être représentatif d’un moteur aéronautique réel et d’en reproduire les caractéristiques essentielles : une configuration à deux étages, de l’air préchauffé et du carburant liquide sont utilisés. Il fonctionne néanmoins à pression atmosphérique et développe une puissance thermique élevée à l’échelle du laboratoire. Le brûleur est composé de deux vrilles radiales : l’étage pilote dans lequel le carburant liquide est injecté sous la forme d’un cône creux, et l’étage multipoint où le mélange du carburant et de l’air est favorisé par une injection multipoint, grâce à dix jets de carburant injectés transversalement à l’écoulement d’air. Les études expérimentales ont montré le rôle clé de la distribution carburant, et sans modifier la puissance développée, l’existence d’un cycle d’hystérésis : plusieurs archétypes de flammes peuvent se stabiliser, suivant l’écoulement, le spray ou l’historique de la flamme. L’objectif de cette thèse est de compléter les données expérimentales et la compréhension des processus de stabilisation de flammes pauvres, prémélangées et prévaporisées dans les brûleurs étagés au moyen de simulations numériques aux grandes échelles diphasique et réactives. Cette approche numérique est appliquée au banc BIMER avec le code AVBP. Des simulations successives, allant de l’injection purement pilote à l’injection purement multipoint, et réciproquement, ont permis de retrouver le cycle d’hystérésis observé expérimentalement. Un point de fonctionnement tri-stable original a été rencontré numériquement pour des cas d’injection de carburant dans l’étage pilote seul, trois formes de flammes distinctes étant observées pour cette unique condition d’injection. La comparaison aux résultats expérimentaux pour les points de fonctionnement pour lesquels des données de validation sont disponibles montrent un bon accord entre le calcul et l’expérience pour différents étagements. Une analyse originale dans l’espace de composition met en évidence les régimes de combustion observés dans ces trois cas, confirmant les différents scénarios de stabilisation. Les deux transitions de formes de flammes observées expérimentalement sont finalement présentées et analysées
The increasingly stringent environmental standards imposed on air transport are pushing manufacturers to upgrade the existing combustion chambers. To reduce pollutant emissions, lean, premixed and pre-evaporated combustion is an interesting alternative. This technology, however, can lead to a less stable flame and can generate combustion instabilities harmful to the engine. In order to improve control over such combustion systems, multi-stage burners provide additional flexibility through the distribution of fuel between the different injection systems, and thus influence the position of the flame or the burning regime. The BIMER experimental bench has been specially developed in the EM2C laboratory to study this solution. It has been designed to be representative of a real aviation engine and to reproduce its essential characteristics : a two-stage configuration, preheated air and liquid fuel are used. It nevertheless operates at atmospheric pressure and develops a high thermal power at the laboratory scale. The burner consists of two radial swirlers : the pilot stage in which the liquid fuel is injected in the form of a hollow cone, and the multipoint stage where the mixture of fuel and air is favored by a multipoint injection, thanks to ten jets of fuel injected transversely to the air flow. Experimental studies have shown the key role of the fuel distribution, and without modifying the power developed, the existence of a hysteresis cycle : several archetypes of flames can be stabilized, depending on the flow, spray or history of the flame. The objective of this thesis is to complete the experimental data and understanding of poor, premixed and pre-vaporized flame stabilization processes in staged burner using two-phase reactive large-eddy simulations. This numerical approach is applied to the BIMER bench with the AVBP code. Successive simulations, ranging from pure pilot injection to purely multipoint injection, and vice versa, have made it possible to trace the hysteresis cycle observed experimentally. An original tri-stable operating point was encountered numerically for fuel injection cases in the pilot stage alone, with three distinct flame shapes being observed for this single injection condition. The comparison to the experimental results for the operating points for which validation data are available shows a good agreement between the calculation and the experiment for different stages. An original analysis in the composition space shows the combustion regimes observed in these three cases, confirming the different stabilization scenarios. The two transitions of flame shapes observed experimentally are finally presented and analyzed

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l'air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l'environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d'étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l'air et du carburant. La prise en compte de l'aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l'apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d'injection, et d'évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d'une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l'écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d'essai Mercato. Ce banc est équipé d'un système d'injection d'air vrillé et d'un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l'injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d'un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d'obtenir des temps d'évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration MERCATO. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d'évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L'utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l'équation sur l'énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l'énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d'obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L'accès à l'évolution instationnaire de l'écoulement permet d'identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n'est pas résolue dans l'approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l'approche Euler-Lagrange malgré l'injection monodisperse.

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d’émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l’air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l’environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d’étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l’air et du carburant. La prise en compte de l’aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l’apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d’injection, et d’évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d’une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l’écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d’essai Mercato. Ce banc est équipé d’un système d’injection d’air vrillé et d’un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l’injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d’un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d’obtenir des temps d’évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration Mercato. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d’évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L’utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l’équation sur l’énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l’énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d’obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L’accès à l’évolution instationnaire de l’écoulement permet d’identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n’est pas résolue dans l’approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l’approche Euler-Lagrange malgré l’injection monodisperse
Aeronautical gas turbines are facing growing demands on emission reductions. Indeed, the quality of the air-fuel mixture directly triggers the formation of pollutants degrading the environment. Large Eddy Simulation is an accurate numerical method to predict turbulent mixing in combustors. Adding the liquid phase of the fuel in these simulations also becomes necessary to properly predict the injection process and the vaporization of the fuel in the combustion chamber. The purpose of this dissertation is to evaluate the accuracy and reliability of Euler-Euler LES in a complex combustor configuration. The injection and vaporization processes of the fuel liquid phase are both modeled in the present LES as they drive the formation of the fuel gas phase. Moreover, the numerical methods that solve the continuous equations of the disperse phase must be accurate and robust in realistic combustor configurations. The simulations shown in the present study reproduce the non-reactive two-phase flow of the ONERA Mercato test bench. The experimental set-up is equipped with an air-swirler injection system and a pressure-swirled atomizer typical of actual turboengine combustors. In the present work the FIM-UR liquid injection model has been developed. It creates boundary conditions profiles for a liquid spray produced by a pressure-swirled atomizer. Kerosene used in the experiments is modeled in the present numerical simulations by a single species leading to a good estimate of the vaporization rate. Three numerical strategies have been tested on the Mercato configuration. Comparisons between experimental and LES results help defining the most accurate numerical strategy. The use of the centered numerical scheme TTGC stabilized by a localized artificial viscosity operator is best when the random uncorrelated energy of droplets is also resolved. Unlike an upwind numerical scheme, the selected strategy allows the user to control where and how much artificial viscosity is added. The source terms coming from the mesoscopic movement redistribute the energy in the compression or expanding zones of the disperse phase, and provide the proper distribution of fluctuations in the combustion chamber. The obtained strategy is compared with the statistics provided by a Lagrangian description of the liquid spray in the same mono-disperse injection. The Euler-Euler approach leads to the same accuracy in the same spray dynamics of the disperse phase as in the Euler-Lagrange method. Both unsteady flow simulations also provide the same dispersion and mixing processes in the Mercato set-up. Differences on the mean diameter and the fuel distribution in the combustion chamber are seen and related to the local poly-dispersion that cannot be resolved in the mono-disperse Euler-Euler approach and that naturally appear in the Euler-Lagrange method despite the mono-disperse injection

Cette thèse est une entreprise commune de VINCI Technologies et du laboratoire CNRS CORIA. De nombreux injecteurs comportent une zone de mélange interne dans laquelle les phases liquides et gazeuses sont toutes deux présentes dans une proportion significative. Par conséquent, cette zone appartient à la catégorie des écoulements diphasiques denses. Pour simuler la dispersion du liquide et caractériser le spray de ces injecteurs, des modèles appropriés sont nécessaires. Les points clés de cette approche sont la dispersion du liquide qui peut être associé au flux liquide turbulent et la quantité de surface liquide-gaz. En particulier, ce manuscrit rapporte, d’une part le développement théorique des modèles de la famille ELSA et, d’autre part, les approximations industrielles correspondantes. Le solveur proposé bascule dynamiquement du spray ICM au spray de sous- maille, à travers le concept ELSA et grâce à l’indicateur basé sur la résolution (IRQ). D’autre part, une fois la zone diluée se forme, l’approche ELSA est couplée à la méthode d’écoulement multiphase, qui vise à déterminer la distribution du spray à l’aide de l’équation WBE. Cette dernière équation est résolue avec une méthode hybride Euler-Lagrange. Le but est de résoudre l’équation WBE avec une approche stochastique Lagrangienne, tout en préservant la compatibilité avec la description Eulerienne de l’écoulement diphasique, basée sur ELSA, pour tirer parti des deux approches. Finalement, ces approches développées ont été utilisées pour des applications industrielles montrant leur robustesse et leur capacité à aider dans le processus de développement de nouveaux injecteurs
This PhD is a joint venture between VINCI Technologies and the CNRS Laboratory CORIA. For its application, VINCI Technologies, developed mainly oil-related equipments and in particular injection/atomization systems. Some of these injectors are characterized by a very big geometrical dimensions (several meters long), that leads to very high Reynolds and Weber number. In addition, many injectors incorporate an internal mixing zone, in which liquid and gas phases are both present in a significant proportion. Consequently, this zone belongs to the dense two-phase flow category. To simulate the liquid dispersion and to characterize the spray formation special from these injectors, appropriate models are required. On its side, the CORIA team, has developed a suitable approach, so-called ELSA, based on the pioneering work of Borghi and Vallet [1, 2]. Key points of this approach are the liquid dispersion that can be associated to the turbulent liquid flux and the amount of liquid-gas surface that can be used to determine eventually the Sauter mean diameter (SMD) of the spray. During this PhD, the applications proposed by V INCI Technologies, have promoted a review of a large part of the multiphase flow approaches to find the more appropriate for each case. This has been the opportunity to clarify the range of application of each approach, and therefore stress the necessity to develop coupled approaches, in order to cover the proposed application in the most suitable way. In particular, this manuscript reports, in one hand, the theoretical development of the ELSA family models, and on the other hand, the corresponding industrial approximations. Since ELSA approaches are originally developed for RANS simulation of the dense zone, it has been extended to LES description. The link of this approach to the DNS¡ ICM approach, has been studied with a special care. The resulting proposed solver, switches dynamically from ICM to subgrid spray, through the ELSA concept, and thanks to resolution based indicator (IRQ). On the opposite side, once the dispersed spray is formed, the ELSA approach is coupled to multiphase flow method, that aims to determine the spray distribution through the WBE equation. This later equation, is solved with an original hybrid Euler-Lagrange method. The purpose is to solve the WBE equation with a Lagrange stochastic approach, and at the same time, preserving the compatibility to the Euler description of two-phase flow, based on ELSA, to benefit from both approaches. This coupled approach has been tested against academic experimental data coming from ECN research initiative, a combined DNS and experimental measurement of dispersed spray on a Diesel jet, and under an air-blast atomizer numerical test case, for which the mean liquid volume fraction has been measured. Eventually, these developed approaches have been applied to industrial application showing there robustness and their capacity to help in the process of design development of new injectors