Étude de l’interaction des plasmas hors-équilibre et des détonation : réduction de la largueur des cellules et longueur de transition.

Abstract

The thesis presents a study of the interaction between nanosecond non-equilibrium plasma and combustion waves in order to enhance detonability in gaseous mixtures. Two fields of physics with different characteristic times (nanosecond for plasma vs micro/millisecond for combustion) are linked. The aim is to demonstrate the causality between the pre-dissociation of a gas mixture by plasma action and the reduction of characteristic times and lengths of combustion reactions. The work is both experimental and numerical. After literature review on the interests of plasma for combustion. We summarize the basics of the detonation and deflagration phenomena, and the two definitions for detonability: (1) the capacity for a detonation wave to propagate under specific conditions of confinement and (2) the speed for a detonation wave to be established from a flame. The first is linked to the size of the detonation cell characterizing the intrinsic instability of the reaction zone. The second is linked to the length of the deflagration to detonation transition. We provide basic information on nanosecond non-equilibrium plasma and its effect on the dissociation of species in a gas mixture. We further suggest and test a kinetic scheme to understand the effect of plasma in a combustible mixture. The results are used as input parameters in a calculation of the chemical combustion length characterizing the detonation following the ZND model. We realize our experiments in squared-section detonation tubes. The diagnostic we are using are: ICCD, schlieren, chemiluminescence imaging, soot-plate technic, dynamic pressure sensor, and back current shunt technic. In the series of experiments dedicated to the detonation cell, we show that the application of a nanosecond plasma in front of an established detonation front decreases the detonation cell width by a factor 2 in H2:O2:Ar, H2:O2, CH4:H2:O2:Ar et CH4:O2:AR mixtures for initial pressure between 100 and 200 mbar. For the series of experiments dedicated to the DDT, we designed a plasma high-voltage electrode to ignite a deflagration wave. We compare the flame from the plasma ignition to the flame from a classical spark plug. The flame ignited by plasma achieves the detonation regime faster, for shorter distances and for lower pressure for H2:O2 mixtures and for pressure between 200 bar and 600 mbar. For both experiments we characterized the plasma and we particularly cared for the role of the initial pressure (deposited energy and homogeneity). We demonstrate a causality between plasma, induction time and detonability. The study improves the understanding of the role of nanosecond plasma to enhance combustion waves. It underlines the need to adapt plasma setups to detonation phenomenon.Keywords : Nanosecond plasma, detonation, deflagration, detonabilty, chemical induction time.La thèse présente une étude de l’interaction entre les plasmas froids nanosecondes et les ondes de combustion en vue d'améliorer la détonabilité de mélanges gazeux. Elle rapproche deux domaines de la physique aux échelles de temps caractéristiques différentes (nanoseconde vs. micro/milliseconde). Elle vise à démontrer l'existence d'un lien de causalité entre la pré-dissociation d’un mélange gazeux par plasma et la réduction des temps et longueur caractéristiques des réactions de combustion. Cette étude de l'effet du plasma sur la déflagration et la détonation est expérimentale et numérique. Après des rappels contextuels et des travaux antérieurs, nous donnons un bref résumé des phénoménologies de la détonation et de la déflagration dans les gaz et les deux définitions la détonabilité, soit, (1) la facilité pour la détonation à se propager dans des conditions données de confinement et (2) la rapidité avec laquelle la détonation s’établit à partir d’une flamme. La première est liée à la taille de la cellule de détonation caractérisant l'instabilité intrinsèque de sa zone de réaction établie. La deuxième est liée à la longueur de transition déflagration-détonation. Nous analysons également le plasma nanoseconde et son rôle dans la dissociation d’espèces dans un gaz. Nous proposons et testons un schéma cinétique, et sa procédure numérique, pour simuler l’effet du plasma dans un mélange combustible. Nous utilisons ces résultats de simulation comme paramètres initiaux d'un code de calcul de longueurs chimiques de la zone de réaction selon le modèle ZND de la détonation. Nous réalisons nos expériences dans des tubes de section carrée. Les méthodes de mesure sont l'imagerie ICCD, la strioscopie, la chimiluminescence, des enregistrements sur plaque à dépôt de carbone et des capteurs de pression dynamique, et un shunt avec courant de retour (BCS). Dans la série d'expériences à la cellule de détonation, nous démontrons que l’application d’un plasma nanoseconde devant un front de détonation établi diminue d'un facteur 2 la largeur des cellules de détonation de mélanges H2:O2:Ar, H2:O2, CH4:H2:O2:Ar et CH4:O2:AR à des pressions initiales entre 100 et 200 mbar. Dans la série d'expériences dédiée à la TDD, nous développons un système d’électrodes multi-canaux pour l’amorçage de la déflagration. Nous comparons la flamme qu’elle génère à celle issue d’une bougie d’allumage classique. La flamme induite par le plasma évolue vers le régime de détonation plus rapidement, à des distance plus courtes et à des pressions plus basses pour des mélanges H2:O2 à des pressions entre 200 mbar à 600 mbar. Pour les deux séries d’expériences nous avons caractérisé le plasma en portant une attention particulière à son efficacité (dépôt d’énergie et homogénéité) en fonction de la pression initiale. Nous démontrons ainsi une causalité entre plasma, temps d’induction chimique et détonabilité. Notre étude approfondit la compréhension du rôle des plasmas nanosecondes couplé aux ondes de combustion. Elle souligne l’intérêt de poursuivre cette approche nécessaire à la mise au point de dispositifs plasmas adaptés aux phénomènes de dynamique des détonations.Mots clés : Plasma nanoseconde, détonation, déflagration, détonabilité, temps d’induction chimique