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Modélisation des flammes et de la formation des polluants en micro et nano combustion

Sosso Mayi Olivier Thierry. (2014). Modélisation des flammes et de la formation des polluants en micro et nano combustion. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

L'objectif de cette thèse est de modéliser les polluants formés dans une micro flamme et de vérifier la possibilité de la formation d'une nano flamme. L' atteinte de cet objectif a induit un objectif préalable, qui consiste à la simulation d'une micro flamme. Simuler une micro flamme exige de faire le choix d'une cinétique chimique appropriée, ce qui constitue une contrainte importante à lever. Les effets d'une cinétique chimique simplifiée à une seule équation globale sur une micro flamme ont été étudiés avec différents mécanismes de cinétique chimique, à savoir les modèles de Mantel, de Duterque et celui dit d'Arrhenius proposé par FemandezTarrazo. Une étude numérique d'une micro flamme pré mélangée méthane/air dans des conditions pauvres (ratio équivalent <1>= 0,9) dans un micro réacteur tubulaire rectangulaire a été effectuée. Plus précisément, leur influence sur la structure de la flamme, la température du mélange réactionnel le long du déplacement axial du micro réacteur et les températures des parois ont été analysées. Les résultats montrent que le mécanisme de cinétique chimique à une équation globale affecte à la fois la forme de la flamme et la température de combustion dont la grandeur est globalement surestimée. Parmi les trois modèles simulés, le modèle de Mantel permet de produire une flamme stable ancrée à l'entrée du réacteur avec une forme convexe, tandis que le modèle de Duterque a donné une flamme allongée stable avec un retard à l'allumage considérable. Une zone morte est observée avec une accumulation de liquide à cette température et pression initiales à l'entrée du réacteur ce qui peut expliquer le taux de réaction élevé ainsi que la température de combustion obtenue. Le modèle dit d'Arrhenius a résulté en une flamme sous la forme d'un point très chaud luminescent. Ce modèle a produit une flamme sujette à une extinction rapide et ne semble pas être approprié pour les simulations numériques de la micro combustion. En outre, l'utilisation d'une cinétique chimique à une équation globale semble déterminer la température initiale applicable à la fois à la zone d'écoulement de fluide et aux parois du micro réacteur, ce qui favorise l' ignition de la combustion du pré mélange. Une question clé de recherche en combustion est la réduction des émissions nocives, cette question est posée ici dans le cas de la micro combustion. Une micro flamme pré mélangée méthane/air a été simulée avec une cinétique chimique simplifiée à quatre équations de Jones et Lindstedt. De plus, le mécanisme de cinétique chimique à trois équations permettant de décrire la formation du NO thermique a été intégré au code Comsol 4.2a décrivant le processus de production et de disparition des espèces chimiques majoritaires. Les simulations effectuées dans les conditions stoechiométriques et de mélange pauvre avec des ratios équivalents égaux à 0.9 et 0.7, montrent que le modèle de cinétique chimique de Jones et Lindstedt permet d'obtenir une flamme stable avec des températures de l'ordre de 2000K, comparables à celles obtenues avec une cinétique chimique détaillée rapportées dans la littérature. On note aussi que la richesse du mélange influence la position de la micro flamme. Elle se forme à l'entrée du micro réacteur pour <1>=1 et <1>=0.9, mais est déviée au centre du micro réacteur avec <1>=0.7. La production du dioxyde de carbone (C02) varie avec la richesse du mélange. Elle est maximale pour <1>=1 et de l'ordre de 250 ppm, inférieure à celle du seuil exigée pour un air respirable. Quant au monoxyde de carbone (CO), il ne se retrouve pas dans les produits de combustion du fait des températures élevées des produits de combustion dans les trois cas de figure. Le monoxyde d'azote (NO) se retrouve en quantité minime dans les produits de combustion et a une concentration inférieure à 1 ppm. Cependant, on remarque que sa production est maximale pour un mélange pauvre avec un ratio équivalent de 0.7, l'indice d'émission du NO (ElNO) dans ce cas est constant par rapport aux températures régnant dans le micro réacteur. On peut donc s' inquiéter d'une production de NO plus importante pour un mélange pauvre avec <1><0.7. L'optimisation des dimensions d'entrée des réactifs (gap) d'un micro réacteur rectangulaire a été faite en établissant un modèle mathématique de l'épaisseur de la zone de réaction en fonction de la hauteur du réacteur (canal ou gap). Ce modèle établi à partir d'une analogie électrique des échanges de chaleur dans un réacteur rectangulaire a permis d' établir une équation de degré quatre permettant d'obtenir les dimensions minimales et maximales pour lesquelles l'épaisseur de la flamme existe toujours. On retiendra qu'avec un écart (gap) de 100 μm, il est possible d'avoir une flamme d'épaisseur de 0,014 mm. Bien que cette épaisseur soit faible, ce résultat prouve qu' il est possible de produire une nano flamme. Cependant, par rapport aux simulations effectuées, la dimension minimale pour laquelle une flamme présentant des extinctions répétitives a été obtenue est de 400 μm. Le travail effectué permettra l' utilisation d' autres modèles simplifiés de cinétique chimique à une équation globale et même à 4 équations globales pour les travaux de simulation en micro combustion. Il ouvre la voie à des études expérimentales permettant l'évaluation des polluants produits par des dispositifs microscopiques. En outre, il a été démontré que le plus petit dispositif de micro réacteur rectangulaire devrait avoir une dimension d'entrée des réactifs de l'ordre de 100 μm, il faudra le faire expérimentalement.

The objective of this thesis was to model the pollutants generated within the micro flame and to investigate the possibility to obtain a nano flame. Therefore it implies to simulate a micro flame from which pollutants should be evaluated and to analyse the appropriate conditions for the production of a nano flame. The simulation of micro flame also requires to choose adequate chemical kinetic mechanisms, a key constraint in the combustion process. The effects of a simplified one step overall chemical kinetic equation on a micro flame were investigated with different kinetics models, namely Mantel, Duterque and the so called Arrhenius models. A numerical study of a premixed methane/air flame in lean conditions (ϕ = 0.9) within a rectangular tubular micro reactor was undertaken by solving the 2D governing equations. More precisely, their influence on the structure of the flame, the temperature of the fluid along the axial displacement of the reactor and the walls temperatures were analyzed. The results show that one step chemical kinetic mechanism affected both the shape of the flame and the combustion temperature whose magnitude is globally overestimated, corroborating the results in the existing literature. Among the three simulated models, the Mantel model allowed a stable flame anchored to the inlet reactor with a convex form, while the Duterque model gave a stable elongated flame with considerable ignition delay. A dead zone is observed with fluid accumulation at the entrance of the reactor which may explain the strong reaction rate and the very high combustion temperature obtained, despite the development of a flame in the form of a very hot illuminated spot lit all around. The so called Arrhenius model resulted in a rapid extinction of the flame and does not seem to take into account all the kinetic phenomena for appropriate numerical simulations of the micro combustion. Furthermore the one step overall chemical kinetic approach seems to determine the initial temperature applicable for both fluid flow area and the walls of the micro reactor that favors the inset of premixed mixture combustion during micro combustion calculations. Combustion is a process used in the production of MPG for portable energy. A key issue in combustion research is the reduction of harmful emissions. A premixed methane/air micro flame was simulated with a simplified chemical kinetics with four equations of Jones and Lindstedt. In addition, the chemical kinetic mechanism with three equations describing the formation of thermal NO was integrated into Comsol 4.2a code. These all that equations described the production process and disappearance of the major chemical species. Simulations in stoichiometric and lean conditions with equivalent ratio ф equal to 0.9 and 0.7 show that, the simulation with the Jones and Lindstedt model provides a stable flame with the temperatures of the order of that obtained with a detailed chemical kinetic mechanism as reported in the literature. The investigation has pointed out note that the richness of the mixture influences the position of the micro flame. The flame is formed at the entrance of the micro reactor when ф = 1 and ф = 0.9, but it is deflected to the center of the reactor with ф = 0.7. The production of carbon dioxide (CO2) varies with the richness of the mixture; it reaches its maximum with ф = 1, around a concentration of 250 ppm. This value remains smaller than the required threshold for breathable air. Carbon monoxide (CO) is not found in the products of combustion due to the high temperatures at the outlet of the micro reactor, whatever the equivalent ratio studied. Nitric oxide (NO) appeared in small amounts in the products of combustion at a concentration of less than 1ppm. However its production is maximal for a lean mixture or at the equivalent ratio of 0.7. The NO Emission Index (E.I.NO) in this case is constant relative to temperatures in the micro reactor. It may therefore be worried for the NO production at a lean mixture with ф < 0.7. The optimisation of the tubular rectangular micro reactor gap (dimension of the entrance of mixture) was done by establishing a mathematical model of reaction zone thickness in comparison of the gap dimension. This model constructed from an electrical analogy of heat exchange inside a rectangular reactor has led to an equation of degree four, allowing to obtain the minimal and maximal dimensions from which the flame thickness continue to exist, in the both conditions advantaging or disadvantaging a chemical reaction. The results gave us 100 µm as a minimal dimension for a nano reactor with 0.014 mm flame thickness. Although this thickness is very thin, this result proves that the nano flame production could be explored. However the results obtained from the simulation gave a gap of 400 µm. This first guess of this discrepancy may due to the chemical kinetic mechanisms used in this cases, were the simplified models may not be appropriated. But physical experimental benches will confirm or infirm the different findings of this work.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Novembre 2014
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:233
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie industriel
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Agbébavi, James Tonyi
Obounou, Marcel Brice
Mots-clés:Simplified chemical kinetic models, flame, micro- and nano- reactors, combustion, numerical simulation, pollutants evaluation, optimisation
Déposé le:26 avr. 2016 02:00
Dernière modification:26 avr. 2016 02:00
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