Characterization of Liquid Impinging Jet Injector Sprays for Bi-Propellant Space Propulsion: Comparison of PDI and High-Magnification Shadowgraphy

[EN] Impinging jet sprays are investigated in the reference case of like-doublet injector, for application to bi-propellant combustion. Green propellants are considered, namely ethanol as a fuel and hydrogen peroxide as an oxidizer, that is well represented by water. This study reports original comparisons between standard spray characterization (PDI) and high-magnification shadowgraphy of the spray (2.5 x 3.2 mm, 2.5 µm per pixel) based on short laser backlight illumination (5 ns). Shadowgraphy images describe accurately the inner spray structure and provide the size and velocity of droplets. This diagnostic is used to analyse the influence of jet momentum (driven by injection pressure) on impinging jet atomization, as well as the evolution of spray topology, drop size distribution and average diameter along the spray centreline. The application of shadowgraphy to the dense region of water and ethanol sprays shows the different atomization behaviour of these two fluids with respect to their surface tension. Elliptical droplets are characterized inside the spray, which confirms the interest of a direct visualization of droplets in such dense sprays.The authors wish to acknowledge the support of CNES (French Space Agency).Boust, B.; Michalski, Q.; Claverie, A.; Indiana, C.; Bellenoue, M. (2017). Characterization of Liquid Impinging Jet Injector Sprays for Bi-Propellant Space Propulsion: Comparison of PDI and High-Magnification Shadowgraphy. En Ilass Europe. 28th european conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Editorial Universitat Politècnica de València. 488-495. https://doi.org/10.4995/ILASS2017.2017.5001OCS48849

Characterization of Spark Ignition energy transfer by optical and non-optical diagnostics

International audienceThis study focuses on the measurement of energy deposited in the fluid by an electrical discharge in different test conditions. An experimental setup is developed for this purpose: a transistorized coil system supplies the electrical energy input for the spark, from 25 to 45 mJ, which is measured at a pair of pin-to-pin electrodes. The energy deposit, ranging from 8 to 15 mJ, is measured using two different techniques: constant volume calorimetry, and Speckle-based Background-Oriented Schlieren (SBOS). Efficiency of the energy transfer is estimated. Calorimetry shows that efficiency depends on inter-electrode gap and gas conditions, increasing with pressure and gap. SBOS provides spatial distributions of density field, temperature and enthalpy. Calorimetry and SBOS provide similar results in terms of the rate of energy deposit over time. Different test conditions are obtained changing inter-electrode gap (from 1 to 3 mm), energy input and gas pressure (from 0.5 to 4 bar)

Laminar Burning Velocities and Markstein Lengths of Jet Fuel Surrogate/Air Mixtures in a Spherical Chamber

International audienceCharacterizing the propagation of jet fuel/air premixed flames during combustion is key to understanding the performances of advanced modes of combustion for turbo-engines. Consequently, a better knowledge of the combustion characteristics is necessary. Particularly, the laminar burning velocity and the Markstein length in laminar adiabatic conditions are both key parameters to improve the efficiency of innovated turbo-engines with technological breakthrough as constant-volume combustion. In the current study, a spherical combustion chamber equipped with various metrology systems is qualified. First, the new experimental setup is validated with methane/air premixed laminar flames at normal temperature and pressure. The laminar burning velocity of four jet fuel surrogates is then characterized. Measurements are performed over a range of equivalence ratios from 0.7 to 1.5, initial temperature of 400 K, and initial pressure of 0.1 MPa. The results are compared with experimental data available in the literature and with calculations using the chemical kinetics code CANTERA (1D model) and existing chemical kinetic mechanisms. A comparison between the different surrogates is then discussed

Etude du mélange et de la combustion dans les flammes jets subsoniques à haute vitesse (influence des vitesses, des densités et de la composition du combustible)

Ce travail a été entrepris dans le cadre de l'optimisation de la combustion des flammes jets dans les chambres de combustion de propulseurs aérobie. L'étude porte sur la caractérisation expérimentale de l'influence du rapport de vitesse r=Uair/Ucombustible, du rapport de masse volumique s=þair/þcombustible, ainsi que de la nature du combustible (H2 et mélange CH4/H2) sur le mélange et la combustion. Il apparaît que le rapport s n'influe pas sur le mélange, alors qu'une diminution du rapport r entraîne une augmentation du mélange. La nature du combustible (composition du mélange) n'a pas non plus d'influence sur le mélange. On observe ainsi un mélange principalement piloté par le mélange aérodynamique (diffusion moléculaire négligeable devant la diffusion turbulente). L'étude de la combustion a montré que les rapports r et s n'ont pas d'influence sur le taux de combustible brûlé. Contrairement à la composition chimique du mélange, où l'on observe une diminution du taux de combustible brûlé avec l'introduction du méthane dans le mélange. Du fait d'une cinétique chimique plus lente du CH4, on voit apparaître des extinctions locales de la flamme. Elles sont d'autant plus importantes que la proportion de CH4 augmente. L'étude du dégagement de chaleur dans le cas de la flamme H2/air révèle que la diminution du rapport r entraîne une augmentation de ce dernier. Enfin nous avons pu mettre en évidence une longueur de combustion conditionnée par la présence du confinement (via l'accélération des écoulements extérieurs).This study deals with combustion optimization of subsonic jet flames in the combustion chambers of air breathing propulsion systems. The effects of velocity ratio r=Uair/Ufuel, density ratio s=þair/þfuel and mixture composition (H2 and CH4/H2 mixture) on mixing and combustion are characterized experimentally. We evidence that mixing is not affected by the density ratio, whereas it increases with decreasing velocity ratio. The mixture composition does not affect the mixing either. Therefore results display a mixing drive by the aerodynamic mixing: the molecular diffusion is unimportant compared to the turbulent diffusion. The combustion study shows that the velocity ratio and the density ratio do not affect the fuel consumption rate; whereas it decreases with the increasing methane introduction in the mixture CH4/H2. Due to the slower chemical kinetics of CH4/air combustion, local flame extinctions arise. The sudy of heat release in the H2/air flame shows an increase with decreasing velocity ratio. Finally, we put forward a conditioned combustion length due to the containment, owing to the external flow acceleration.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Effect of Fuel Properties on the Combustion of Storable Bipropellants : Alkanes, Ethanol with Hydrogen Peroxide

International audienceRecently, the interest in storable propellants for rocket engines has been driven by the need of cost reducing of space launch: safety, easier handling, and gain in mass structure. Therefore, reduced hazards liquid propellants are considered such as hydrogen peroxide in association with green fuels (kerosene or ethyl alcohol) for propulsion. To this purpose, test benches at lab-scale have been developed at PPrime Institute (Poitiers, France): the one used in the present study is dedicated to the combustion of non-hypergolic propellants at moderate mass-flow rate (ACSEL test bench). The spray is generated by impingement of liquid jets in two configurations: either like doublet or unlike triplet. Both configurations are being studied and implemented in reactive tests with HTP875 (High Test Peroxide of 87.5% by weight) as oxidizer and, respectively, ethanol, iso-octane, and n-decane (as a pure alkane substitute of a kerosene) fuels. The injector plate is implemented in a 105 mm long combustion chamber with different nozzle throat diameters. Tests cover a range of equivalence ratio based on stoichiometry from 0.6 to 2.1 with imposed total mass flow of 15 to 20 g/s. A comparison of the combustion performances and stability is proposed in terms of chamber pressure, total mass-flow rate, equivalence ratio, and characteristic velocity. A focus is given to the effect of the fuel properties on the combustion at steady regime, considering first the effect of the miscibility of the fuel and the oxidizer, and secondly its volatility

Etude expérimentale de l'interaction flamme-paroi instationnaire dans des conditions initiales non isothermes

Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.During combustion in spark ignition engine, the flame is modified by the wall when only 20% of charge is burned. So it is necessary to study the flame-wall mechanisms in order to develop and improve spark ignition engines. Through this work, unsteady flame-wall interaction is studied experimentally considering both laminar and turbulent regimes in non-isothermal initial conditions. Wall temperature Tw varies between 300 and 500 K but unburned gases are at ambient temperature. The issue of this study is to understand the phenomena involved and to provide reference data for flame-wall simulation. In laminar regime, maximal density of wall heat flux qwmax increases with Tw for both head-on and side-wall quenching. Quenching distance decreases when Tw increases for head-on quenching but is constant for side-wall quenching. For this type of quenching, stretch is not insignificant. Considering turbulent regime, at stoichiometry, qwmax decreases because of turbulence in comparison with laminar regime. When fuel-air ratio is equal to 0,7, it is the opposite. So the flow produces a shear to the flame front at stoichiometry and a convection phenomenon on the flame propagation when fuel-air ration is equal to 0,7. At stoichiometry, the effect of stretch is higher than wall temperature effect on turbulent flame-wall interaction.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocPOITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale de l'auto-inflammation de mélanges gazeux en milieux confinés et sa modélisation avec une description cinétique chimique détaillée

L autoallumage de mélanges homogènes CH4/air et n-C4H10/air a été étudié de manière expérimentale en Machine à Compression Rapide. D une part, ce processus de combustion est caractérisé de manière globale en se basant sur des mesures de pression (délai d allumage, taux de dégagement de chaleur). D autre part, des visualisations directes mettent en évidence sa dépendance à la présence d hétérogénéités de température, observées par strioscopie. Les champs de vitesse et la répartition de température en conditions non-réactives sont ensuite caractérisés par vélocimétrie (PIV rapide) et par fluorescence (PLIF toluène). Les informations obtenues apportent une meilleure compréhension du phénomène d autoallumage, où la propagation des zones de réaction intense traduit la présence de fronts d autoallumage ou/et de structures plus proches des déflagrations. En parallèle, une méthode de Pdf calculée 0D est retenue pour la modélisation de l autoallumage dans ce type de conditions. Elle prend en compte, (i) une cinétique chimique détaillée, (ii) les phénomènes de mélange et de transferts de chaleur qui pilotent l évolution de la répartition de la température avant l allumage. La pertinence des résultats vis-à-vis de l expérience suggère que l approche proposée constitue un cadre bien adapté à l étude de ce mode de combustion.Selfignition of homogeneous CH4/air and n-C4H10/air mixtures is studied within a Rapid Compression Machine. In a first step of the analysis, the combustion process is studied by using pressure measurements (ignition delays and global heat release rates).Then, temperature heterogeneities are evidenced thanks to Schlieren imaging. Their influence on the ignition process is confirmed by using direct light visualizations. The flow field and temperature distribution are then characterized in non-reactive conditions using velocimetry (fast PIV) and fluorescence (PLIF toluene) methods. Gathered information provides a better understanding of the ignition phenomena, where propagation of intense reaction zones results from autoignition fronts or processes similar to deflagrations. In parallel, a PDF method is retained for the modelling of autoignition in these conditions. The proposed strategy accounts for (i) detailed chemical kinetics, and (ii) mixing and heat transfer phenomena that play a crucial role in the evolution of temperature distribution. The comparison of the results to experimental data suggests that the proposed approach is a well suited framework for the study of this combustion mode.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Diagnostic des plasmas de combustion par sonde d'ionisation (application à l'étude de l'interaction flamme-paroi instationnaire)

Les sondes d'ionisation sont utilisées depuis longtemps pour réaliser des diagnostics dans les plasmas. Les recherches pour appliquer cette technologie dans le domaine de la combustion sont motivées par le fait que la flamme génère des espèces chargées et se comporte donc comme un plasma faiblement ionisé. Différentes applications de cette technique ont été étudiées au cours de ces dernières années. Ces études ont montré que le courant d'ionisation dépend de nombreux paramètres liés à la combustion (richesse, pression, température ) mais le manque d'outils théoriques rend l'interprétation des résultats complexe et limite pour l'instant l'utilisation de la technique, particulièrement sur les moteurs à combustion interne. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils théoriques simples permettant de mieux comprendre les phénomènes d'interaction flamme-sonde et de démontrer le potentiel de ce diagnostic en particulier pour l'étude de l'interaction flamme-paroi. Pour les motoristes l'enjeu des technologies futures sera de proposer une motorisation ayant de faibles émissions polluantes tout en conservant un coût de conception et de réalisation compétitif. La diminution des niveaux d'émission de CO2 et de polluants devra donc passer par des technologies innovantes sans toutefois avoir recours à des post-traitements trop complexes et donc couteux. L'une des caractéristiques de la combustion dans un moteur à allumage commandé est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a été consommés. Ainsi une grande partie du combustible brûle en proche parois. La présence de cette forte proportion de combustible au niveau de la paroi s'explique par le fait que la charge fraîche se trouvant devant la flamme de prémélange est comprimée sous l action combinée du mouvement du piston et de la détente de gaz brûlés situés derrière le front de flamme, l'essentiel de la charge se trouvant alors concentrée prés des bords de la chambre. Ainsi pour le développement et l'amélioration du fonctionnement des moteurs à allumage commandé, il est indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi. Les techniques de diagnostic qui sont utilisées aujourd hui pour mesurer les paramètres caractéristiques de l'interaction flamme-paroi ne fonctionnent pas dans certaines conditions de pressions et de température. Les échelles spatiale et temporelle du phénomène diminuent en effet fortement sous l'effet d'une augmentation de la pression. Ainsi les techniques optiques sont limitées par leur résolution spatiale. Les travaux proposés dans cette thèse montrent que les sondes d ionisation permettent de mesurer les paramètres qui caractérisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de température supérieures à celles des autres méthodes. Le développement de modèles théoriques simples ont permis de mesurer différents paramètres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la température, à partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont été réalisées pour différentes géométries d'interaction flamme-paroi et différents type de mélanges. Des mesures combinées par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur pariétal ont permis de valider l'ensemble des résultats obtenus sur différentes gammes de pression. Le diagnostic par sonde d'ionisation permet donc de mesurer avec une bonne résolution spatio-temporelle les paramètres de l'interaction flamme-paroi. L'amélioration du diagnostic passe notamment par une augmentation de la fréquence d excitation de la sonde (Radio-fréquence). Cependant les essais réalisés ont mis en évidence que les mécanismes de conduction de la flamme changent sous l'influence de nombreux paramètres comme la densité du gaz ou la fréquence d'excitation. Les résultats obtenus sur la polarisation de la flamme montrent notamment une augmentation de la chute de potentiel anodique sous l'effet de la pression. Les propriétés électriques de la flamme à haute pression ont donc été étudiées expérimentalement et théoriquement. La modélisation de la cinétique chimique de la flamme à haute pression a permis de mettre en évidence la diminution de la concentration d'électrons dans le front de flamme. Par ailleurs les mécanismes d'attachement et de détachement électroniques qui ont lieu dans la zone de coincement ont un impact fort sur les mécanismes de polarisation de la flamme. Il est donc nécessaire de tenir compte des effets de densité du gaz dans les modèles de courant d'ionisation à haute pression. L'amélioration des techniques de mesures du courant d'ionisation proposées dans cette thèse passe donc à l'avenir par une étude approfondie des propriétés électriques de jonctions.The main technological issue for engineers is to put forward a low emission motorization whilst keeping competitive conception and realisation costs. Internal combustion engines are characterized by the fact that the flame reaches the walls in places while only 30% of fresh gazes were burned. Therefore, a big amount of the fuel burns in vicinity of wall. This is why it is essential to study flame-wall interaction mechanisms in order to develop and improve internal combustion engines efficiency. This Ph. D thesis demonstrates that ionization probes can be used to measure flame-wall interaction parameters and in particular, for high pressure and high temperature conditions. Simple theoretical models were developed in order to measure different parameters from ion current analysis, such as the quenching distance, flame velocity, flame temperature. These measurements were performed for head-on and sidewall quenching and different mixtures. The results obtained were validated by using advanced LASER diagnostics (PIV, LIF) and wall heat flux gauge measurements for all pressure ranges. At last, the electrical conductivity of the flame front was theoretically and experimentally studied at high pressure.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Auto-inflammation de mélanges pauvres assistée par plasma

Le durcissement des normes d émission, tout autant que l impératif d économie,poussent à étudier de nouveaux modes de combustion pour les moteurs. L autoallumage decharges homogènes à basse température offre de bonnes perspectives quant au rejet de NOx,suies, et CO2. Cependant son control reste délicat, car il est extrêmement sensible à latempérature et la cinétique de l hydrocarbure. L assistance par plasma hors-équilibre pourraitfournir une solution. Les expériences sont menées dans une MCR avec des mélanges pauvresd isooctane/air et un prototype d allumeur Renault. La combustion obtenue identifiée commeSICI se déroule en deux phases: la propagation d une flamme comprime les gaz restantjusqu à leur autoallumage. Le réchauffement du système expérimental est intégré dans leprotocole d exploitation, afin de quantifier l effet SICI relativement à l autoallumage pur.L effet du plasma semble avant tout dépendre de l énergie déposée, bien qu il convergerapidement, quel que soit l avance du déclenchement. Le comportement asymptotique à hauteénergie s explique par la thermalisation des filaments, soulignée par comparaison avec l effetSICI d un arc classique. A l inverse, le seuil minimal d énergie nécessaire semble lié à lacapacité à générer un noyau de flamme viable, rapprochant le phénomène d un problèmeclassique d allumage en conditions difficiles. La propagation de la flamme détermine ledéclenchement de l autoallumage selon une caractéristique linéaire particulièrementremarquable, car indépendante des conditions thermodynamiques du mélange. L existenced une flamme froide est mise en avant par des acquisitions de PLIF formaldéhyde. Lapréréaction semble accélérer la propagation du front de flamme.Emission standards tightening as well as economical needs urge to study newcombustion modes for engines. Low-temperature homogeneous charge auto-ignition offersgood prospects for NOx, soot, and CO2 emissions. However, its control remains sharp for it isextremely influenced by temperature and fuel chemistry. Assisting non-equilibrium plasmascould provide a solution. Experiments are RCM managed with lean isooctane/air mixtures andprototype Renault ignition devise. Combustion occurs in a two steps mode known as SICI:flame propagation compresses the remaining gas to auto-ignition. The experimental settemperature rise is computed in order to measure the SICI effect compared to pure autoignition.The plasma seems to act mainly through the energy dropped, albeit its effect quicklyreaches a maximum, no matter how early it starts. This asymptomatic high energy behaviorrelies on the streamers overheating, as underlined by the look-like SICI effect from a regulararc discharge. On the contrary, minimal required energy appears to be linked to the capabilityof generating a sustainable flame kernel, making it closer to a standard ignition issue in roughconditions. Flame propagation sets auto-ignition start, according to an astonishingly linearcharacteristic not even influenced by charge s thermodynamic conditions. Cool flame is putforward through formaldehyde PLIF imaging. Prereaction seems to enhance front propagationspeed.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF