Thesis (Ph. D.)--Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006. / Armistead Russell, Committee Member ; James Mulholland, Committee Member ; Rodney Weber, Committee Member ; Michael H. Bergin, Committee Chair ; Jean-Luc Jaffrezo, Committee Member.

Les suies se présentent sous la forme de fines particules carbonées de diamètres compris entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Dans l’atmosphère, elles entraînent des enjeux climatiques, de par leurs propriétés radiatives, mais aussi des enjeux sanitaires, du fait de leur faible taille : elles pénètrent facilement dans le système respiratoire et même, pour les plus fines, dans le système sanguin. L’objectif est de parfaire les connaissances sur les propriétés physiques des suies produites par différents systèmes de combustion. C’est dans le but de mieux comprendre l’influence des systèmes de combustion, faisant intervenir des temps de séjours différents, des propriétés de turbulence, d’oxydation et de pression distinctes que nous avons choisi d’étudier trois types de combustion spécifiques : d’une part, des flammes de diffusion laminaires à pression atmosphérique, initiées dans un brûleur développé au cours de ces travaux ; d’autre part, une flamme de diffusion laminaire sous atmosphère pressurisée (3 à 5 bars) ; enfin, une flamme turbulente produite par une chambre tubulaire, elle aussi sous atmosphère pressurisée (1.2 à 3 bar). Un autre enjeu de ce travail était d’approfondir les informations relatives à la combustion de carburants liquides, à savoir le kérosène et le diester. Les travaux effectués visent à déterminer les caractéristiques morphologiques (dimension fractale, diamètre des monomères...) et l’indice complexe m* des suies issues des différents systèmes de combustion. La technique employée pour la mesure de l’indice complexe de réfraction des suies, repose sur l’analyse d’une partie des fumées produites par les flammes. Ces fumées sont acheminées dans un banc d’analyse permettant la mesure de signaux d’extinction et de diffusion, ainsi que de distributions de taille des suies. Par ailleurs, des analyses de clichés obtenus par microscope en transmission d’électrons (TEM) permettent l’obtention d’informations sur la morphologie des agrégats de suies. L’utilisation de la théorie de la diffusion de la lumière pour des agrégats fractals dans la limite de Rayleigh (RDG-FA) permet d’estimer à partir de ces données deux fonctions de l’indice complexe E(m) et F(m), et ainsi de retrouver m*. / Soot are carbonaceous fine particles, which diameters are ranged from a few nanometres to a few micrometers. They have an impact on climate, due to their radiative properties, as well as on health, due to their small size. That’s why particulate matter is an important concern. In order to gain a better understanding of the influence of the combustion devices, which implies specific residence time and also specific turbulence, oxidation and pressure properties, we studied three specific kinds of combustion : first, laminar diffusion flames at atmospheric pressure ; then, a laminar diffusion flame a high pressures (3 to 5 bar) ; finally, a turbulent flame produced in a combustor at high pressures (1,2 to 3 bar). Another objective of this work was to improve the knowledge about soot produced by the combustion of liquid fuels, namely kerosene and biofuel. We studied morphological properties (fractal dimension, primary particle size…) and the refractive index m* of soot produced by these combustion systems. The technique employed to characterize the soot refractive index is based on the analysis of a part of smokes produced by flames. These are transported towards two optical cells, so that extinction and scattering coefficients can be measured, in addition to soot size distributions. Furthermore, a morphological characterization of the aggregates is conducted, using transmission electron microscopy (TEM) photographs. Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal aggregates is used to determine two functions of the refractive index E(m) and F(m), so that m* can be deduced.

L’objectif de cette étude était de développer une nouvelle génération de catalyseurs, dits électrochimiques, capables d’abaisser la température de régénération des filtres à particules, et de diminuer les coûts du post-traitement des moteurs Diesel, en évitant notamment une surconsommation en carburant. Pour cela, un banc de mesure a été développé où de forts moyens analytiques pour les phases gazeuses (GC et analyseur de NOx), particulaires (spectromètre de masse à aérosols AMS) et de caractérisations physiques des aérosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) ont été couplés. Le catalyseur électrochimique développé est composé d’un catalyseur oxyde de type pérovskite La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (noté LSAM), en contact avec un électrolyte solide conducteur par les ions O2-, la zircone dopée à l’oxyde d’yttrium (YSZ). L’enduction de ce catalyseur électrochimique directement dans les canaux d’un filtre à particule (FAP) en céramique (SiC) a montré des performances permettant d’abaisser la température de régénération des FAP de 100°C voire de 260°C selon le flux de régénération. Ces performances sont le résultat d’un effet de synergie entre les phases de la pérovskite LSAM et du conducteur ionique YSZ / The aim of this study was to develop a new generation of catalysts, called electrochemical, which can lower the regeneration temperature of the particulate filter, and reduce post-treatment costs of Diesel engines, especially avoiding over-consumption of fuel. For this, a test bench has been developed where strong analytical analyzer for gas phases (GC and Nox analyzer), for particles (aerosol mass spectrometer AMS) and for physical characterization of aerosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) have been coupled. The electrochemical catalyst developed is composed of a perovskite catalyst La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (denoted LSAM), in contact with a solid electrolyte conductor by O2-ions, yttria stabilised zirconia (YSZ). The coating of the electrochemical catalyst directly into the channels of a particulate filter (DPF) showed performance to lower the DPF regeneration temperature of 100°C or even 260°C depending of the regeneration flow. These performances are the result of a synergistic effect between the phases of the perovskite LSAM and YSZ ionic conductor

L’aviation émet de grandes quantités de gaz et de particules dans l’atmosphère contribuant, d’une part, à la détérioration de la qualité de l’air à une échelle locale et d’autre part, au forçage radiatif atmosphérique et donc au changement climatique. Une voie envisagée pour limiter l’impact de l’aviation est l’utilisation de carburants alternatifs. Les biocarburants sélectionnés dans cette optique tendent à avoir des teneurs en soufre et en composés aromatiques réduites, ce qui induit une diminution de la quantité d’acide sulfurique formé dans les panaches d’avions ainsi que des suies émises. La modification de la nature et de la composition des carburants utilisés peut entraîner des conséquences inattendues. Il s’avère alors essentiel d’étudier et de déterminer l’évolution des aérosols dans les panaches d’avions. Pour cela, un modèle microphysique précédemment testé lors de la combustion de kérosène classique a été utilisé et amélioré. Après avoir déterminé les émissions « types » des carburants alternatifs, des simulations ont été menées afin de prédire l’évolution et le comportement des aérosols. Plusieurs processus ont nécessité des révisions tels que la congélation homogène ou encore le comportement des composés organiques. / Aircraft emit important amounts of particulate and gaseous matter in the atmosphere contributing on the one hand to local air pollution and on the other hand to the atmospheric radiative forcing and to climate change. Introducing alternative fuels in aviation can be considered as a viable option to reducing the impact of aviation, being economically and environmentally sustainable. These selected biofuels tend to have lower aromatic and sulphur contents inducing a simultaneous reduction in sulphuric acid and soot emissions. However modifying the nature and composition of the fuel used can entail unexpected consequences. It is therefore essential to study and determine the evolution of aerosols in the aircraft plume. To manage this task, a microphysical trajectory box, previously tested with standard kerosene, has been developed. After an assessment concerning the typical emissions from the combustion of biofuels in aviation, simulations have been undertaken in order to predict aerosol evolution. Several microphysical processes have been revised such as droplet homogeneous freezing or the behaviour of organic compounds.

Dans une thématique de sécurité incendie, la prédiction de la propagation d’une flamme le long d’une paroi verticale solide nécessite la quantification du rayonnement. L’objectif de la thèse est de quantifier et caractériser les suies d’une flamme de PMMA. La flamme stationnaire d’un brûleur gaz sera également étudiée. La méthode optique de LII, une fois calibrée (extinction), permet d’obtenir des champs 2D de la fraction volumique ainsi que le taux de combustion en fonction de la hauteur pour la flamme de PMMA. Ensuite, la morphologie des agrégats de suie est déterminée grâce à des clichés MET et des mesures de la distribution en taille. Les propriétés optiques sont obtenues avec des mesures in-situ et ex-situ (effet de la température) de l’extinction spectrale, couplées avec une mesure de la concentration massique pour remonter à la fonction d’indice. Cette base de données permettra la perspective de calculer le rayonnement des suies et de l’utiliser dans un modèle de propagation. / In the field of fire safety, the propagation prediction of a flame along a solid vertical wall requires radiation quantification. The thesis objective is to quantify and characterize the PMMA flame soot. Gaseous burner steady flame will also be studied. The LII optical method, after calibration (extinction), provides 2D volume fraction fields and the combustion rate in function of the height for the PMMA flame. Then, the soot aggregate morphology is determined by TEM images and size distribution measurements. The optical properties are obtained with in-situ and ex-situ measurements (temperature effect) of the spectral extinction, coupled with a mass concentration measurement to obtain the index function. This database will allow the prospect to calculate the soot radiation and to use it in a propagation model.