Je m'inscris, le cadre de mes activités, aux efforts de recherche menés pour la compréhension et le contrôle des processus physico-chimiques à l’origine des émissions de particules de suies. En particulier, les travaux de l’équipe CEPT visent à développer des diagnostics optiques pour sonder les particules produites au sein de flammes. Une technique de diagnostic originale dite d’Absorption/Emission Modulée (ou MAE, Modulated Absorption/Emission), mise au point au laboratoire, permet d’accéder à la température et la fraction volumique des particules de suies dans la flamme. L'obtention de ces informations permet de mieux comprendre les mécanismes de formation et d'oxydation des particules de suies.
Présentation du dispositif expérimental
Brûleur
Le brûleur utilisé dans le cadre de ce travail est un brûleur à jets co-axiaux permettant l’établissement de flammes non prémélangées axi-symmétriques (figure 1). Il présente des caractéristiques identiques au dispositif mis en place par Santoro et al. (1983) *, faisant référence au sein de la communauté scientifique en combustion pour l’analyse de la formation de suies. Le combustible est émis au centre et le comburant à la périphérie. Un lit de billes en verre et une structure céramique composée de canaux disposés en nid d’abeille permet de rendre l’écoulement du comburant laminaire. De cette manière, les caractéristiques des flammes stabilisées sont rigoureusement définies et reproductibles.
Diagnostic optique
Le dispositif d’analyse employé pour réaliser les mesures de fraction volumique de suies par absorption est présenté sur la figure 2. Il permet d’accéder aux champs de concentration de fraction volumique de suies et de température. Pour ce faire, l’émission spontannée de la flamme est captée à deux longueurs d’ondes (645 nm and 785 nm) au moyen de deux caméras (indices 13 sur le schéma). En parallèle, l’absorption à ces longueurs d’onde est mesurée par le biais de deux faisceaux laser dont l’intensité est captée par les même caméras avec et sans flamme. Dans cette approche, la mesure de l’absorption permet d’accéder à la fraction volumique des particules de suies et l’analyse de l’émission spontanée, corrigée des phénomènes d’auto-absorption, permet d’accéder quant à elle à la température des particules. Le détail ce cette technique dite d’absorption/émission modulée est présenté dans la publication de Legros et al. (2015) **.
Illustration: Legros et al. (2015) **
Exemple de résultat
Les résultats présentés sur la figure 3 et tirés des travaux publiés dans le papier de Wang et al. [5] illustrent la transition de flamme « fermée » (cf. fig. 3 b) image de gauche) /« ouverte »(cf. fig. 3 b) image de droite) de flammes non prémélangées et partiellement prémélangées d’éthylène. L’écoulement axial est composé d’éthylène mélangé à de l’oxygène dans des concentrations croissantes (0% à 32%). L’écoulement périphérique est quant à lui composé d’air. Ce type de mesure permet de comprendre plus finement les mécanismes aboutissant à l’« ouverture »des flammes, c’est à dire au relargage important de particules au sommet de ces flammes. Dans le cas présent, les voies de formation de HAP en présence d’oxygène sont favorisées lorsque de l’oxygène est ajouté au combustible pour des teneurs allant jusqu’à 30%. Cela ce traduit par une apparition des premières particules de plus en plus précoce (donc de plus en plus proche du brûleur). Plus en aval dans la flamme, dans les zones de croissance puis d’oxydation des suies, les mécanismes d’oxydation sont cette fois-ci limités par la diminution de température. L’ensemble de ces contributions aboutit à l’échappement de particules au sommet de la flamme, nettement visible sur la figure 3 (b). Néanmoins, l’effet de l’ajout d’oxygène s'inverse brutalement lorsque les concentrations d’oxygène dépassent 30%. Les mécanismes d’oxydation deviennent alors prédominants.
(a) Mesure de fraction volumique et de température de suies dans des flammes d’éthylène dopées en oxygène
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(b) Transition des flammes d’éthylène sans/avec oxygène dans l’écoulement axial |
* R. J. Santoro, H. G. Semerjian, and R. A. Dobbins. Soot particle measurements in diffusion flames. Combustion and Flame, 51:203–218, 1983.
** G. Legros, Q. Wang, J. Bonnety, M. Kashif, C. Morin, J.-L. Consalvi, and F. Liu. Simultaneous soot temperature and volume fraction measurements in axis-symmetric flames by a two-dimensional modulated absorption/emission technique. Combustion and Flame, 162(6):2705–2719, 2015.
Publications associées
[1] Jalain R, Bonnety J, Legros G, Matynia A. Sooting tendencies of ethylene diffusion flame doped by C3-C5 alcohols. Proceedings of the Combustion Institute, accepted for publication.
[2] Maesano CN, Morel G, Matynia A, Ratsombath N, Bonnety J, Legros G, et al. Impacts on human mortality due to reductions in PM10 concentrations through different traffic scenarios in Paris. Science of The Total Environment, 698 :134257, 2020.
[3] Bonnety J, Guibaud A, Jalain R, Matynia A, Consalvi J-L, Liu F, et al. Probing the local radiative quenching during the transition from a non-smoking to a smoking laminar coflow ethylene/air non-premixed flame. Combustion and Flame, 203 :120–129, 2019.
[4] J. Abboud, J. Schobing, G. Legros, A. Matynia, J. Bonnety, V. Tschamber, A. Brillard, G. Leyssens, and P. Da Costa. Impacts of ester’s carbon chain length and concentration on sooting propensities and soot oxidative reactivity: Application to Diesel and Biodiesel surrogates. Fuel, 222:586–598, 2018.
[5] Q. Wang, G. Legros, J. Bonnety, C. Morin, A. Matynia, J.-L. Consalvi, and F. Liu. Experimental assessment of the sudden-reversal of the oxygen dilution effect on soot production in coflow ethylene flames. Combustion and Flame, 183:242–252, 2017.
[6] M. Kashif, J. Bonnety, A. Matynia, P. Da Costa, and G. Legros. Sooting propensities of some gasoline surrogate fuels: Combined effects of fuel blending and air vitiation. Combustion and Flame, 162(5):1840–1847, 2015.