Detailed modeling and simulations of Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges for Plasma-Assisted Combustion

Dans le domaine de la propulsion aéronautique, une tendance actuelle forte est la combustion en régime pauvre, voire très pauvre, afin de limiter les émissions de polluants. Il s’agit cependant d’un défi technologique de taille, puisque la combustion pauvre est peu stable et ne garantit pas les capacités d’allumage et de rallumage en altitude nécessaires à la certification.Une solution émergente, applicable à une large gamme de configurations, pour permettre l’allumage et la stabilisation de la combustion dans des régimes pauvres, est l’utilisation de décharges électriques de faible énergie près de la flamme. Parmi les différents types de décharge existants, les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) sont particulièrement intéressantes. Cependant, malgré une efficacité démontrée, les mécanismes fondamentaux de l’interaction entre la combustion et le plasma généré par la décharge ne sont pas bien compris. De plus, il n'existe pas d’outil numérique opérationnel pour évaluer la performance des décharges NRP dans des configurations pratiques. L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR PASTEC, est double. Il s'agit d'abord de développer un code de plasmas froids capable de modéliser la phase plasma. Cette tâche a vu naitre le code parallèle et non-structuré AVIP qui partage la structure de données du code de combustion AVBP développé au CERFACS. Cette modélisation permettra ensuite d’étudier en détail les mécanismes d’interactions entre la le plasma et une flamme dans des configurations pointe-pointe. Pour cela, une chimie détaillée pour la combustion assistée par plasma a été développée et validée avec des données expérimentales dans des configurations de laboratoire. Cette chimie étant trop couteuse pour un calcul multi-dimensionnel, un travail de réduction a été réalisé et un modèle phénoménologique a été proposé. Le mécanisme cinétique réduit est finalement utilisé dans des simulations multi-dimensionnelles couplant les codes AVBP et AVIP afin d'étudier les effets des décharges NRP dans l'air et pour l'allumage d'un mélange methane-air

MHD flow and heat transfer in a rectangular duct

MHD Strömung und Wärmeübergang in einem Rechteckkanal Lediglich eine profunde Kenntnis des Wärmeübertragungsverhaltens laminarer und turbulenter magnetohydrodynamischer (MHD) Strömungen erlaubt eine adäquate Auslegung von Wärmeübertragern, zum Beispiel von Flüssigmetallblankets, oder eine Steuerung industrieller Verfahren durch den Einsatz von MHD Effekten. In diesem Bericht wird die experimentelle und numerische Untersuchung einer MHD-Strömung in einem Rechteckkanal mit elektrisch leitenden Wänden vorgestellt. Ein äußeres konstantes Magnetfeld B steht senkrecht auf der Kanalachse und ist ebenfalls senkrecht zum Wärmestrom , der von einem Strahlungsheizer erzeugt wird. Im Kanal werden sowohl integrale Größen wie der Druckverlust und die Nusselt-Zahl aber auch lokale Größen, zum Beispiel die Temperatur an der Fluid-Wand-Grenzfläche, die Geschwindigkeit und die lokale Temperatur ermittelt. Der untersuchte Parameterbereich umfaßt: Hartmann-Zahlen 0£ M£ 5000, Reynolds-Zahlen 0£ Re£ 1.3.105 und Peclet-Zahlen 0£ Pe£ 2900 . Der gemessene Druckverlust stimmt mit der analytischen Lösung für eine zweidimensionale MHD-Strömung in nahezu dem gesamten untersuchten Parameterbereich überein. Lediglich für Hartmann-Zahlen M£ 350 und Re³ 7.104 wird ein höherer Druckverlust ermittelt. Beim Überschreiten einer kritischen Reynoldszahl Recrit von Recrit=100.M entspricht der MHD-Druckverlust dem einer turbulenten hydrodynamischen Rohrströmung. Die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung im Kanal, die mit einer kombinierten Temperatur- und Geschwindigkeitsmeßsonde (TEMPO) ermittelt wurde, stimmt mit den berechneten Werten für eine laminare MHD-Strömung überein. Die Nusselt-Zahl an der Wand ist bei MHD-Strömungen aufgrund der wandnahen Geschwindigkeitsüberhöhungen (den sogenannten Seitenwandjets), die sich an Wänden parallel zum Magnetfeld ausbilden und direkt dem Wärmestrom ausgesetzt ist, um ca. 30% größer als in einer hydrodynamischen Strömung. Bei großen M und sehr großen Re entspricht der Wärmeübergang der turbulenten MHD Strömung dem Wärmeübergang wie er auch in einer laminaren Strömung ermittelt wird. Der Grund dafür ist, daß die thermische Grenzschicht sich noch im Bereich der viskosen laminaren Grenzschicht befindet und somit leistet lediglich die molekulare Wärmeleitung einen Beitrag zur Wärmeübertragung. Bei bestimmten Parameterkonstellationen oder bei hinreichend langen Kanälen wächst die Grenzschicht in den Bereich der turbulenten Seitenwandschichten hinein. Durch den turbulenten Quertransport des Fluids wird der Wärmeübergang gesteigert. Die Wärmeübertragungsverbesserung kann um den Faktor 2 höher sein als bei einer laminaren MHD-Strömung

Linear stability of confined flow around a 180-degree sharp bend

This study seeks to characterise the breakdown of the steady two-dimensional solution in the flow around a 180-degree sharp bend to infinitesimal three-dimensional disturbances using a linear stability analysis. The stability analysis predicts that three-dimensional transition is via a synchronous instability of the steady flows. A highly accurate global linear stability analysis of the flow was conducted with Reynolds number Re < 1150 and bend opening ratio (ratio of bend width to inlet height) 0.26β 65. This range of Re and β captures both steady-state two-dimensional flow solutions and the inception of unsteady two-dimensional flow. For 0.2 6 β 6 1, the two-dimensional base flow transitions from steady to unsteady at higher Reynolds number as β increases. The stability analysis shows that at the onset of instability, the base flow becomes three-dimensionally unstable in two different modes, namely a spanwise oscillating mode for β = 0.2 and a spanwise synchronous mode for β > 0.3. The critical Reynolds number and the spanwise wavelength of perturbations increase as β increases. For 1 < β 6 2 both the critical Reynolds number for onset of unsteadiness and the spanwise wavelength decrease as β increases. Finally, for 2 < β 6 5, the critical Reynolds number and spanwise wavelength remain almost constant. The linear stability analysis also shows that the base flow becomes unstable to different three-dimensional modes depending on the opening ratio. The modes are found to be localised near the reattachment point of the first recirculation bubbl