Ces travaux s’inscrivent dans un effort mené conjointement par l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) et l’Université KAUST pour caractériser finement l’écoulement réactif dans un brûleur swirlé alimenté en hydrogène, et mettre ces données à la disposition de la communauté internationale pour la validation d’outils de simulation haute-fidélité. Cette collaboration a permis de produire une base de données complète comprenant des champs de vitesse, avec et sans réaction de combustion, des champs de mélange en conditions non réactives, ainsi que des distributions de température, d’espèces majoritaires et de polluants.
Les travaux présentés dans ce manuscrit sont majoritairement restreints aux caractérisations effectuées à pression ambiante. Ils incluent des mesures des champs de vitesse par vélocimétrie par images de particules (PIV), réalisées à l’IMFT, ainsi que des mesures de température et des champs de concentration des espèces majoritaires (H2, O2, N2, H2O) par diffusion Raman, réalisées à KAUST. Pour compléter ces données, des mesures de température du fluide et des parois solides ont également été réalisées à l’aide de thermocouples, de thermocouples à double bille et d’un pyromètre. Des images de chimiluminescence dans la bande visible et de OH* ont également été acquises.
Outre la production de mesures détaillées et robustes, l’un des objectifs de ce travail a été de caractériser et d’analyser l’impact des trous réalisés dans les fenêtres métalliques nécessaires aux mesures par diffusion Raman. Leur influence sur la structure des champs de vitesse et de température a été étudiée en comparant les résultats obtenus dans des configurations avec et sans trous afin de s’assurer de la cohérence de la base de données produite pour des simulations réalisées sans trous.
Le deuxième objectif était de mieux comprendre les mécanismes de formation du NO et du NO2. Pour la grande majorité des points de fonctionnement étudiés, la production de NO est majoritairement gouvernée par le mécanisme thermique. Une étude spécifique a donc été menée afin de mieux comprendre les conditions de formation du NO2 et d’identifier ses zones de production. La prédominance du NO2 par rapport au NO a été confirmée par des techniques de mesure indépendantes dans les zones de recirculation, pour des températures comprises entre 800 et 1100 K et en présence d’hydrogène imbrûlé. De plus, des simulations de la formation du NO2 ont permis de mettre en évidence l’importance de l’intermédiaire réactionnel HO2, ainsi que l’impact de la température de préchauffage et de l’augmentation de la pression sur la proportion de NO2 dans les émissions de NOx.
Enfin, l’impact de la dilution comme stratégie de réduction des émissions de NOx a été étudiée afin de comprendre les mécanismes d’action du diluant et d’identifier les stratégies d’injection les plus efficaces. Plusieurs stratégies d’injection ont été testées. L’effet principal de la dilution est de diminuer la pression partielle des réactifs au niveau du front de flamme, limitant les pics de température et, par conséquent, la production de NOx. La dilution du combustible injecté au centre est la plus efficace, car elle permet une diminution importante de la pression partielle des réactifs. Cette stratégie de dilution sélective par injection dans le front central permet une diminution de 40% des NOx produits, mettant ainsi en évidence le rôle du front latéral dans la production de NOx.
Ces travaux ont permis de produire une base de données qui constitue désormais une référence internationale pour la caractérisation et la simulation des flammes swirlées alimentées en hydrogène. Ils ont également permis d’affiner la compréhension des mécanismes de formation du NO et du NO2 et ouvrent des perspectives intéressantes pour le développement de stratégies de mitigation des émissions de NOx.
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These studies are part of a joint effort between the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse (IMFT) and King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) to provide a detailed characterization of the reactive flow in a hydrogen-fueled swirl burner and to make these data available to the international research community for the validation of high-fidelity simulation tools. This collaboration has resulted in a comprehensive database including velocity fields, both under reacting and non-reacting conditions, non-reacting mixture fields, as well as temperature distributions and measurements of major and pollutant species.
The work presented in this manuscript is primarily focused on characterizations performed at atmospheric pressure. It includes measurements of velocity fields using particle image velocimetry (PIV), conducted at IMFT, as well as temperature and concentration measurements of major species (H2, O2, N2, H2O) using Raman scattering, conducted at KAUST. To complement these data, measurements of the gas-phase and solid-wall temperatures were also performed using thermocouples, double-bead thermocouples, and a pyrometer. Chemiluminescence images in the visible spectral range and OH* images were also acquired.
In addition to providing detailed and robust measurements, one of the objectives of this work was to characterize and analyze the impact of the holes machined into the metal windows required for Raman scattering measurements. Their influence on the velocity and temperature field structures was investigated by comparing results obtained in configurations with and without holes, in order to ensure the consistency of the database generated for simulations performed without holes.
The second objective was to improve the understanding of the formation mechanisms of NO and NO2. For the vast majority of the operating conditions investigated, NO production is predominantly governed by the thermal mechanism. A dedicated study was therefore conducted to better understand the conditions leading to NO2 formation and to identify its production regions. The predominance of NO2 over NO was confirmed using independent measurement techniques in the recirculation zones, for temperatures ranging from 800 to 1100 K and in the presence of unburned hydrogen. In addition, simulations of NO2 formation highlighted the importance of the HO2 intermediate, as well as the effects of the preheating temperature and increasing pressure on the proportion of NO2 in the NOx emissions.
Finally, the effect of dilution as a NOx emission reduction strategy was investigated to understand the mechanisms through which the diluent acts and to identify the most effective injection strategies. Several injection strategies were tested. The primary effect of dilution is to decrease the partial pressure of the reactants at the flame front, thereby limiting peak temperatures and, consequently, NOx production. Dilution of the fuel injected through the central passage is the most effective strategy because it produces a substantial reduction in the partial pressure of the reactants. This selective dilution strategy, achieved by injecting the diluent into the central flame front, resulted in a 40% reduction in NOx emissions, highlighting the contribution of the lateral flame front to NOx production.
Overall, these studies have resulted in a database that now serves as an international reference for the characterization and simulation of hydrogen-fueled swirl flames. They have also provided further insight into the mechanisms governing NO and NO2 formation and open up promising perspectives for the development of NOx emission mitigation strategies.
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