Development of optical techniques for in-situ characterization of soot in high-pressure combustors

L'augmentation du trafic aérien pousse la recherche sur la combustion à obtenir une compréhension détaillée des processus physiques et chimiques qui se produisent dans le moteur de l'avion ; les principaux objectifs sont 1) d'améliorer le processus de combustion et 2) de réduire les émissions gazeuses et particulaires. Une solution au premier problème réside dans la combustion à une pression et une température plus élevées, mais cela peut avoir un impact sur le second problème, notamment en ce qui concerne la production de suie et les émissions de NOx. Pour trouver une solution, il est nécessaire de développer des outils expérimentaux appliqués dans des conditions de combustion représentatives de celles rencontrées dans les moteurs d'avion afin de capturer les phénomènes complexes se produisant à l'intérieur de ces moteurs. Pour ce faire, un banc d'essai aéronautique semi-industriel équipé de diagnostics optiques adaptés mis en œuvre/disponible à l'ONERA Palaiseau permet d'entrevoir des informations sur ces processus de combustion. En conséquence, cette recherche vise à développer et à mettre en œuvre des techniques optiques pour caractériser les particules de suie dans les chambres de combustion des moteurs aéronautiques. L'incandescence induite par laser (LII) est la principale technique sur laquelle portent les efforts. Cette technique est basée sur le modèle de rayonnement de la loi de Planck. La technique LII est utilisée en raison de sa grande sensibilité pour la détection de la fraction volumique de la suie et de sa flexibilité pour sa mise en œuvre dans diverses configurations optiques. En outre, le couplage de la technique LII avec d'autres techniques optiques présente un grand intérêt pour la compréhension des mécanismes et des paramètres conduisant à la formation de la suie. Premièrement, la fluorescence induite par laser (LIF) est ajoutée comme technique complémentaire pour détecter les précurseurs de suie connus sous le nom d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Deuxièmement, la diffusion de la lumière fournit des informations sur la distribution des gouttelettes de combustible liquide imbrûlées et des particules de suie à l'intérieur de la chambre de combustion. Troisièmement, la chimiluminescence OH* montre la zone de réaction et le dégagement de chaleur. Enfin, le transport des HAPs et de la suie ou les interactions avec le champ d'écoulement sont abordés via la vélocimétrie par image de particules (PIV).The growth of air traffic urges combustion research to get a detailed understanding of the physical and chemical processes occurring in the aircraft engine; the main objectives are 1) to improve the combustion process and 2) to lower gaseous and particulate emissions. A solution to the first issue lies in the combustion at higher pressure and temperature, but this can impact the second issue, particularly concerning the production of soot and NOx emissions. To find a solution, it is necessary to develop experimental tools applied in representative combustion conditions relative to those encountered in aircraft engines in order to capture complex phenomena occurring inside these engines. To do this, a semi-industrial aeronautical test rig equipped with suitable optical diagnostics implemented/available at ONERA Palaiseau offers a glimpse of information into these combustion processes. As a result, this research aims to develop and implement optical techniques for characterizing soot particles in aeronautical engine-relevant combustors. Laser-Induced Incandescence (LII) is the primary technique on which efforts are directed. This technique is based on Planck's law radiation model. LII technique is used due to its high sensitivity for detecting the soot volume fraction and flexibility for its implementation in various optical configurations. In addition, the coupling of LII with other optical techniques presents a high interest in understanding the mechanisms and parameters leading to soot formation. First, Laser-Induced Fluorescence (LIF) is added as a complementary technique to detect soot precursors known as Polycyclic-Aromatic Hydrocarbons (PAHs). Secondly, light scattering provides information on the distribution of unburnt liquid fuel droplets and possible soot particle localization inside the combustor. Thirdly, OH* chemiluminescence illustrates the reaction zone and heat release. Finally, the PAHs and soot transportation or interactions with the flow field are tackled via particle image velocimetry (PIV)

Développement des techniques optiques pour la caractérisation in-situ de la suie dans les foyers de combustion à haute pression

The growth of air traffic urges the combustion research community to get a detailed understanding of the physical and chemical processes occurring in the aircraft engine, with two main objectives: first, to improve the combustion process and second, to lower gaseous and particulate emissions. A solution to the first issue lies in the combustion at higher pressure and temperature, but this can impact the second issue, particularly concerning the production of soot and NOx emissions. The solution relies on the development of suitable experimental tools for representative combustion conditions of those encountered in aircraft engines to capture their characteristic complex phenomena.As a result, during this research, coupled optical techniques were developed and implemented for characterizing soot particles in aeronautical engine-relevant combustors. Laser Induced Incandescence (LII) is the primary technique on which efforts are directed due to its high sensitivity for detecting soot particles and flexibility to be implemented around semi-industrial combustion installations. In addition, the coupling of LII with other optical techniques presents a high interest in understanding the mechanisms and parameters leading to soot formation. First, Laser Induced Fluorescence (LIF) is added as a complementary technique to detect soot precursors known as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The development of LII/LIF was made in accordance with the application on test rigs and they were first tested on a CH4/air laminar diffusion flame. The main findings are related to the planar configuration of the LII/LIF systems regarding the correction factors for the use of a laser sheet plane to scan a large region of interest during the measurement. Additionally, two optical configurations (imaging and spectral) proposed for the LII technique were studied to evaluate the uncertainty induced in the conversion step from the recorded LII signal to soot volume fraction.These studies allowed the application of planar LII/LIF and complementary optical techniques on a semi-industrial test rig representative of combustion conditions identified in aircraft combustors. Particle image velocimetry and Mie scattering are used as complementary techniques to LII/LIF. Six operating conditions of the test rig are characterized by the coupled optical techniques to identify the main parameters that affect soot formation in such environment. An exhaustive characterization of the various OC and their correlation with the Landing/Take-Off (LTO) Cycle is proposed. This work narrows down three OC of interest for in-depth studies with sustainable aviation fuels (SAF). These applications are subject to studies on the effect of SAF on soot formation that were evaluated with LII, OH* and scattering. A matrix of three fuels (Jet A-1, 50:50% vol. Jet A 1:ATJ and ATJ) was selected to evaluate the fuel impact on soot production for the three selected OC. High-frequency techniques (OH* and scattering) were implemented to obtain information about the spray dynamics and flame front inside the combustor. The coupled optical techniques identify the parameters leading to soot formation and relate them to the operating conditions or fuel properties.La croissance du trafic aérien pousse la communauté de recherche sur la combustion à vouloir une compréhension détaillée des processus physiques et chimiques qui ont lieu dans un moteur d’avion, avec deux objectifs principaux : premièrement, améliorer le processus de combustion et deuxièmement, réduire les émissions gazeuses et particulaires. Une solution au premier problème réside dans la combustion à une pression et une température plus élevées, mais cela peut avoir un impact sur la seconde problématique, notamment en ce qui concerne la production de suie et les émissions de NOx. La solution repose sur le développement d'outils expérimentaux appropriés pour des conditions de combustion représentatives de celles rencontrées dans les moteurs d'avion afin de capturer leurs phénomènes complexes caractéristiques.Ainsi, au cours de cette recherche, des techniques optiques couplées ont été développées et mises en oeuvre pour caractériser les particules de suie dans des chambres de combustion similaires à celles des moteurs aéronautiques. L'incandescence induite par laser (LII) est la principale technique sur laquelle les efforts sont dirigés en raison de sa haute sensibilité pour la détection des particules de suie et de sa flexibilité de mise en oeuvre autour des installations de combustion semi-industrielles. De plus, le couplage de la LII avec d'autres techniques optiques présente un grand intérêt pour la compréhension des mécanismes et des paramètres conduisant à la formation de la suie. Tout d'abord, la fluorescence induite par laser (LIF) est ajoutée comme technique complémentaire pour détecter les précurseurs de suie connus sous le nom d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le développement de la LII/LIF a été fait en fonction de l'application sur des bancs d'essai et ont été testés pour la première fois sur une flamme à diffusion laminaire CH4/air. Les principaux résultats sont liés à la configuration planaire des systèmes LII/LIF concernant les facteurs de correction pour l'utilisation d'une nappe laser pour analyser une grande région d'intérêt pendant la mesure. De plus, deux configurations optiques (imagerie et spectrale) proposées pour la technique LII ont été étudiées pour évaluer l'incertitude induite par l'étape de conversion du signal LII enregistré en fraction de volume de suie.Ces études ont permis l'application des techniques LII/LIF planaires ainsi que de techniques optiques complémentaires sur un banc d'essai semi-industriel représentatif des conditions de combustion identifiées dans les chambres de combustion des avions. La vélocimétrie par image de particules et la diffusion de Mie sont utilisées comme techniques complémentaires au couple LII/LIF. Six points de fonctionnement du banc d'essai sont caractérisés par les techniques optiques couplées afin d'identifier les principaux paramètres qui affectent la formation de suie dans un tel environnement. Une caractérisation exhaustive des différents points de fonctionnement et leur corrélation avec le cycle d'atterrissage/décollage (LTO) est proposée. Ce travail permet d'identifier trois points de fonctionnement d'intérêt pour des études approfondies avec les carburants aéronautiques durables (SAF). Ces applications font l'objet d'études sur l'effet des SAF sur la formation de suie qui ont été évaluées avec LII, chemilunescence OH* et la diffusion. Une matrice de trois carburants (Jet A-1, 50:50% vol. Jet A-1:ATJ et ATJ) a été sélectionnée pour évaluer l'impact du carburant sur la production de suie pour les trois points de fonctionnement sélectionnés. Des techniques à haute fréquence (OH* et diffusion) ont été mises en oeuvre pour obtenir des informations sur la dynamique du spray et le front de flamme à l'intérieur de la chambre de combustion. Les techniques optiques couplées identifient les paramètres conduisant à la formation de suie et les relient aux conditions de fonctionnement ou aux propriétés du combustible

Development of coupled optical techniques for the measurements of soot and precursors in laboratory flame and aero-engine technical combustors

International audienceThis work is focused on the development of planar in-situ laser-based methods serving for the mapping of soot precursors and soot particles in hash combustion conditions. We target the soot molecular precursors and particulates because there are still unanswered questions related to the mechanisms leading to the formation of soot particles and their quantification in harsh combustion conditions. Laser-induced incandescence (LII) at 1064 nm is coupled with laserinduced fluorescence (LIF) at 532 nm to monitor soot and its precursors, respectively, on the MICADO test rig. A progressive approach is followed to implement the optical techniques, where LII/LIF is first tested and evaluated in a laminar diffusion flame, stabilized on a coflow burner at atmospheric pressure. Measurements of soot volume fraction and soot precursors are reported in combustion conditions similar to the cruise cycle in terms of total mass flow rate and pressure into the combustor

Laser-induced incandescence and fluorescence for in-situ characterization of soot particles and precursors in semi-technical aeronautic combustors

National audiencePhysical and chemical properties of soot emitted from airplanes are still poorly known due to the difficult access at the core of these systems, as well as the stringent conditions into or at the exhaust of the engines. It is challenging to directly measure soot particles inside aeronautic combustors due to the high pressure and limited optical access. Under these harsh combustion conditions, we try to identify the mechanisms participating in the formation of soot particles. These mechanisms are still subject to numerous questions due to the lack of experimental evidence and high demand for processing power requested by theoretical models. The solution to this problem relies on the coordinated efforts of researchers for the implementation of experimental and theoretical tools. To overcome the experimental challenges, this work focuses on the development and implementation of laser induced incandescence (LII), a technique used for the detection of soot volume fraction, as well as laser induced fluorescence (LIF), a technique used for the characterization of soot precursors

Semi–technical aero-engine combustors – a glimpse on combustion processes given by in-situ optical techniques

International audienceThe high-pressure combustion of kerosene is studied on a semi-technical aeronautic combustor equipped with a single-swirled injector using laser optical techniques. These experiments answer to nowadays milestones encountered in the aeronautic sector related to energy consumption and emissions reduction. With a focus on these objectives, our study presents a close look into the complex physicochemical processes taking place in severe combustion conditions representative of airplane engine landing-take-off (LTO) operation modes. The primary energy source (combustion) is studied with diagnostics as laser induced fluorescence/incandescence, scattering and particle image velocimetry. These techniques bring information about the precursors of soot particles, namely polycyclic aromatic hydrocarbons, soot particles, fuel spray characteristics, and velocity flow fields. Combined results are used to understand and identify the main principles governing the behavior of combustion, production of particulate and gas pollutants, as well as their radiative effects. The feasibility of selected optical techniques in these specific environments is discussed as well

Semi–technical aero-engine combustors – a glimpse on combustion processes given by in-situ optical techniques

International audienceThe high-pressure combustion of kerosene is studied on a semi-technical aeronautic combustor equipped with a single-swirled injector using laser optical techniques. These experiments answer to nowadays milestones encountered in the aeronautic sector related to energy consumption and emissions reduction. With a focus on these objectives, our study presents a close look into the complex physicochemical processes taking place in severe combustion conditions representative of airplane engine landing-take-off (LTO) operation modes. The primary energy source (combustion) is studied with diagnostics as laser induced fluorescence/incandescence, scattering and particle image velocimetry. These techniques bring information about the precursors of soot particles, namely polycyclic aromatic hydrocarbons, soot particles, fuel spray characteristics, and velocity flow fields. Combined results are used to understand and identify the main principles governing the behavior of combustion, production of particulate and gas pollutants, as well as their radiative effects. The feasibility of selected optical techniques in these specific environments is discussed as well