Extensive comprehension of aluminum particles combustion by advanced optical diagnostics and numerical simulations
Dans le cadre du développement de nouveaux moteurs à propulsion solide, des particules d'aluminium sont intégrées au propergol afin d'agir comme additif énergétique. Ce procédé améliore significativement les performances globales du moteur, mais il engendre également un écoulement diphasiq...
Gardado en:
| Autor Principal: | |
|---|---|
| Outros autores: | , , , , , , |
| Formato: | Thèse numérique |
| Idioma: | Anglais |
| Publicado: |
2025.
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| Sujets: | |
| Acceso en liña: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2025ORLE1090_va.pdf https://theses.fr/2025ORLE1090/abes https://theses.hal.science/tel-05421362 |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Guillaume Legros (Président du jury) ; Jeffrey Bergthorson, Christian Chauveau (Membre(s) du jury) ; Silvana De Iuliis, Zhongshan Li (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Compréhension approfondie de la combustion de particules d'aluminium par diagnostics optiques avancés et simulation numérique |
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| 245 | 1 | 0 | |a Extensive comprehension of aluminum particles combustion by advanced optical diagnostics and numerical simulations |c Hugo Keck ; sous la direction de Fabien Halter et de Stany Gallier. |
| 256 | |a Données textuelles | ||
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| 502 | |a Thèse de doctorat. Physique. Orléans. 2025 | ||
| 520 | |a Dans le cadre du développement de nouveaux moteurs à propulsion solide, des particules d'aluminium sont intégrées au propergol afin d'agir comme additif énergétique. Ce procédé améliore significativement les performances globales du moteur, mais il engendre également un écoulement diphasique à l'intérieur de la chambre de combustion. Cet écoulement peut être source de pertes de rendement et d'instabilités, parfois à l'origine de phénomènes vibratoires destructifs. Pour limiter ces inconvénients, il est essentiel de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la combustion de l'aluminium, ainsi que les caractéristiques des produits de combustion. Dans cette optique, l'étude de la combustion d'une particule unique d'aluminium a été entreprise à l'aide d'un lévitateur électrodynamique. Ce dispositif permet d'isoler, de stabiliser et d'allumer une seule particule dans un environnement parfaitement contrôlé. Afin de caractériser le processus, plusieurs diagnostics optiques ont été développés. Une méthode d'extinction de la lumière, basée sur un rétro-éclairage par LED blanche, offre une mesure multispectrale de l'extinction optique du nuage d'alumine formé autour de la particule. En parallèle, la mise en place d'une méthode numérique associée à une calibration précise de la caméra permet de distinguer les émissions gazeuses de celles issues des phases condensées. Le couplage de ces deux approches rend possible la mesure de grandeurs locales au voisinage immédiat de la particule en combustion, telles que la température, la concentration en espèces condensées et la taille des particules d'alumine produites. Cette méthodologie fournit ainsi des informations inédites et cruciales sur le déroulement de la combustion d'aluminium. L'étude a été conduite dans des environnements variés afin d'identifier les facteurs influençant les mécanismes de combustion. Des diluants tels que l'azote, l'hélium ou l'argon ont été utilisés, avec des proportions d'oxygène ajustées, des pressions croissantes, et du dioxyde de carbone comme oxydant. Ces variations expérimentales permettent de mettre en évidence des paramètres clés qui pilotent la combustion et conditionnent les caractéristiques des produits formés. Les données obtenues offrent des cibles précieuses pour l'amélioration des modèles numériques. Le modèle développé par ArianeGroup a ainsi été confronté aux résultats expérimentaux. Des écarts notables ont été relevés, principalement attribués à une représentation trop simpliste du phénomène de condensation des produits de combustion. Pour remédier à cette limite, un modèle plus élaboré a été implémenté, reposant sur la théorie de la nucléation. Dans ce nouveau cadre, la condensation n'est plus décrite par une simple loi d'Arrhenius, mais par une approche combinant un taux de nucléation et un taux d'accroissement, calculés à partir des lois de la condensation homogène. Si des divergences subsistent entre expériences et simulations, les résultats obtenus confirment l'importance d'une modélisation fine des processus de formation de l'alumine. Ce travail souligne ainsi à la fois la complexité intrinsèque de la combustion de l'aluminium et l'apport essentiel d'un couplage étroit entre expériences de pointe et modélisations avancées pour progresser vers une compréhension et une maîtrise complètes de ce phénomène. | ||
| 520 | |a In the development of new solid propulsion motors, aluminum particles are incorporated into the propellant to act as an energetic additive. This process significantly enhances the overall performance of the motor, but it also generates a two-phase flow inside the combustion chamber. Such a flow can lead to performance losses and instabilities, sometimes giving rise to destructive vibratory phenomena. To mitigate these drawbacks, it is essential to gain a better understanding of the mechanisms involved in aluminum combustion, as well as the characteristics of the resulting combustion products. With this objective, the combustion of a single aluminum particle was investigated using an electrodynamic levitator. This device makes it possible to isolate, stabilize, and ignite an individual particle in a perfectly controlled environment. To characterize the process, several optical diagnostics were developed. A light extinction method, based on white LED backlighting, provides a multispectral measurement of the optical extinction of the alumina cloud formed around the burning particle. In parallel, the implementation of a numerical method combined with precise camera calibration makes it possible to distinguish gaseous emissions from emissions arising from condensed phases. The coupling of these two approaches enables the measurement of local quantities in the immediate vicinity of the burning particle, such as temperature, condensed species concentration, and the size of the alumina particles produced. This methodology therefore provides novel and crucial insights into the combustion process of aluminum. The study was conducted under various environments to identify the factors influencing combustion mechanisms. Diluents such as nitrogen, helium, or argon were used, with adjusted oxygen proportions, increasing pressures, and, in some cases, carbon dioxide as an oxidizer. These experimental variations highlight key parameters that drive combustion and govern the characteristics of the products formed. The data obtained provide valuable targets for improving numerical models. The model developed at ArianeGroup was therefore compared with the experimental results. Significant discrepancies were observed, mainly attributed to an overly simplistic representation of the condensation phenomenon of combustion products. To address this limitation, a more advanced model based on nucleation theory was implemented. In this new framework, condensation is no longer described by a simple Arrhenius law, but by an approach combining a nucleation rate and a growth rate, both calculated from homogeneous condensation theory. Although discrepancies between experiments and simulations remain, the results confirm the importance of accurately modeling the processes involved in alumina formation. This work thus emphasizes both the intrinsic complexity of aluminum combustion and the essential contribution of a close coupling between advanced experiments and modeling in order to progress toward a complete understanding and control of this phenomenon. | ||
| 538 | |a Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF | ||
| 650 | |a Aluminium |x Combustion |x Simulation par ordinateur | ||
| 650 | |a Fusées à propergol solide | ||
| 650 | |a Traitement d'images |x Techniques numériques | ||
| 650 | |a Thèses et écrits académiques | ||
| 700 | 1 | |a Halter, Fabien, |d 19..-...., |c physicien. |4 ths | |
| 700 | 1 | |a Gallier, Stany. |4 ths | |
| 700 | 1 | |a Legros, Guillaume, |d 1976- | |
| 700 | 1 | |a De Iuliis, Silvana, |d 1968- . | |
| 700 | 1 | |a Li, Zhongshan, |d 19..-...., |c professeur en physique de la combustion. | |
| 700 | 1 | |a Bergthorson, Jeffrey, |d 19..- |4 opn | |
| 700 | 1 | |a Chauveau, Christian, |d 19..-...., |c chercheur en physique, énergétique. |4 opn | |
| 710 | 2 | |a Université d'Orléans. |4 dgg | |
| 856 | 4 | |q PDF |s 176229771 |u https://theses.fr/2025ORLE1090/document |z Accès au texte intégral | |
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