Mechanism of soot formation : an experimental and modeling study
La formation de nanoparticules de carbone en environnement de combustion résulte d'un réseau de processus chimiques remarquablement complexe, dont beaucoup restent encore partiellement compris. Au fil des années, la modélisation cinétique chimique a évolué, passant de formulations empiriques si...
Uloženo v:
| Hlavní autor: | |
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| Další autoři: | , , , , , |
| Médium: | Thèse numérique |
| Jazyk: | Anglais |
| Vydáno: |
2025.
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| Témata: | |
| On-line přístup: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2025ORLE1084_va.pdf https://theses.fr/2025ORLE1084/abes https://theses.hal.science/tel-05740822 |
| Poznámka: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Frédéric Grisch (Président du jury) ; Bénédicte Cuenot, Nabiha Chaumeix (Membre(s) du jury) ; Matteo Pelucchi, Olivier Herbinet (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Mécanismes de formation de suies :, étude expérimentale et numérique |
| Shrnutí: | La formation de nanoparticules de carbone en environnement de combustion résulte d'un réseau de processus chimiques remarquablement complexe, dont beaucoup restent encore partiellement compris. Au fil des années, la modélisation cinétique chimique a évolué, passant de formulations empiriques simples à des mécanismes détaillés capables de décrire à la fois l'évolution des précurseurs en phase gazeuse et la dynamique des particules. Malgré ces progrès, d'importants défis subsistent, notamment dans la description de la nucléation de la suie et l'identification des facteurs régissant la croissance des particules. Ces limitations restreignent la capacitéprédictive des modèles actuels pour des technologies de combustion plus propres et la synthèse de matériaux carbonés par flamme. Dans ce travail, la modélisation cinétique chimique est utilisée pour mieux comprendre les processus fondamentaux contrôlant la formation de la suie à partir de la pyrolyse de combustibles aliphatique et aromatiques. Un outil informatique dédié, le Soot Mechanism Automated Generator (SMAuG), a été développé. SMAuG est un framework basé sur Python, conçu pour construire automatiquement des sous-mécanismes de particules selon des classes de réactions et des règles prédéfinies. La dynamique des particules est représentée à l aide d'un modèle sectionnel discret avec des espèces BIN pseudo-lumpées, couplé à un mécanisme en phase gazeuse défini par l'utilisateur. Dans cette étude, le mécanisme ICARE HAP a été choisi pour décrire la formation des précurseurs en phase gazeuse. Lemodèle développé dans cette thèse introduit plusieurs avancées clés : (i) mise à jour de la chimie en phase gazeuse pour la pyrolyse du C,H; et la formation de polyyne ; (ii) nouvelles voies réactionnelles pour la croissance des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) via des interactions radical-polyyne ; (iii) Voies synergétiques couplant la chimie des HAP et des polyynes ; (iv) mise en œuvre d'une nouvelle classe d'intermédiaires BIN activés ; et (v) optimisation des paramètres cinétiques régissant la nucléation et la croissance en surface. La validation du modèle a été réalisée à partir d'expériences en tube à choc menées à ICARE avec divers combustibles, allantde l acétylène choisi pour étudier la chimie des polyyne aux composés aromatiques comme le benzène et le toluène, qui testent les voies liées aux HAP. Les simulations montrent une très bonne concordance avec les profils expérimentaux de la fraction volumique de suie dans le temps, ce qui constitue une réussite notable compte tenu de la complexité inhérente au système. Des validations supplémentaires contre des données bibliographiques, incluant des profils de suie dépendant de la température, des temps d'induction et des taux de croissance, ont confirmé la fiabilité du modèle. Des évaluations complémentaires ont étendu l'analyse à d autres combustibles, notamment des espèces aliphatiques (éthylèñe, propylène, propyne, cyclopentène) et aromatiques (éthylbenzéne, styrène), ainsi qu'à des mélanges contenant du toluène, du benzène, du cyclopentène et des intermédiaires C/C:. Des analyses cinétiques détaillées ont permis d'identifier les voies principales menant à la formation des noyaux initiaux de suie dans différentes conditions thermodynamiques, soulignant le rôle clé des voies polyyne et leur interaction avec les intermédiaires PAH. En résumé, le modèle proposé offre un cadre complet et flexible pour la simulation de la formation de nanoparticules de carbone dans les systèmes pyrolytiques et la production de noir de carbone. Son développement futur soutiendra des applications pratiques en combustion, notamment la propagation de la flamme et la conversion d'énergie. The formation of carbon nanoparticles in combustion environments arises from a remarkably intricate network of chemical processes, many of which remain only partially understood. Over the years, chemical kinetic modeling has progressed from simple empirical formulations to detailed mechanisms capable of describing both the evolution of gas-phase precursors and particle dynamics. Despite this progress, significant challenges persist, particularly in the description of soot nucleation and the identification of factors governing particle growth. These limitations restrict the predictive capability of current models for cleaner combustion technologies and flame-based synthesis of functional carbon materials. In this work, chemical kinetic modeling is used to improve the understanding of the fundamental processes controlling soot formation from the pyrolysis of aliphatic and aromatic fuels. A dedicated computational tool, the Soot Mechanism Automated Generator (SMAuG), has been developed. SMAuGis a Python-based framework designed to automatically construct particle sub-mechanisms according to predefined reaction classes and rules. Particle dynamics are represented using a discrete sectional model with pseudo-lumped BIN species, which is coupled to a user-defined gas-phase mechanism.In this study, the ICARE PAH mechanism was selected to describe the formation of gas-phase precursors. The model developed within this thesis introduces several key advancements: (i) updated gas-phase chemistry for C2H2 pyrolysis and polyyne formation; (ii) new reaction pathways for the growth of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)via radical polyyne interactions;(iii) synergistic routes coupling PAH and polyynechemistries; (iv) implementation of a new class of activated BIN intermediates; and (v) optimization of the kinetic parameters governing nucleation and surface growth. Modelvalidation was carried out using shock-tube experiments performed at ICARE with a range of fuels, from acetylene chosen to probe polyyne chemistry to aromatic compounds such as benzene and toluene, which test the PAH-related pathways. The simulations show very good agreement with experimental soot volume fraction time-histories, a significant achievement considering the inherent complexity of the system. Additional validation against literature data, including temperature-dependent soot profiles, induction times, and growth rates, confirmed there liability of the model. Further assessments extended the analysis to additional fuels, including aliphatic species (ethylene, propylene, propyne, cyclopentene) and aromatic molecules (ethylbenzene, styrene), as well as mixtures containing toluene, benzene, cyclopentene, and C2/C3 intermediates. Detailed kinetic analyses identified the dominant routes leading to the formation of initial soot nuclei under different thermodynamic conditions, highlighting the key role of polyyne pathways and their interplay with PAH intermediates. Overall, the proposed model provides a comprehensive and flexible framework for the simulation of carbon nanoparticle formation in pyrolytic systems and carbon black production. Its further development will support future applications to practical combustion configurations, including flame propagation and energy conversion systems. |
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| Popis jednotky: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Frédéric Grisch (Président du jury) ; Bénédicte Cuenot, Nabiha Chaumeix (Membre(s) du jury) ; Matteo Pelucchi, Olivier Herbinet (Rapporteur(s)) |
| Médium: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Přístup: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 02 septembre 2026 |