Thèse 3e cycle--Spectrochimie et structure--Paris VI, 1982. / 1983 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 89-96.

Les particules de suie générées au sein des procédés de combustion ont un impact très important sur l'environnement et la santé. Les réglementations actuelles imposent de ce fait des réductions de plus en plus strictes des émissions particulaires. Afin de limiter les quantités de suies rejetées dans l'atmosphère, il est donc essentiel que des études fondamentales soient entreprises afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la formation de ces particules. L'objectif de ce travail de thèse consiste à évaluer l'impact de la combustion de différents types de carburants sur les caractéristiques physico-chimiques des suies. Un brûleur hybride a donc été conçu spécialement dans le but de générer des flammes d'hydrocarbures liquides ayant des caractéristiques hydrodynamiques identiques quelles que soient les propriétés physiques des carburants étudiés. Des cartographies quantitatives des suies et des précurseurs de suies ont été réalisées dans des flammes de kérosène, de gazole, d'essence, de biocarburants et de divers carburants modèles du kérosène et du gazole en ayant recours pour cela au couplage de l'Incandescence et de la Fluorescence Induite par Laser (LII/LIF). Par comparaison des signaux LII obtenus à différentes longueurs d'onde d'excitation, il nous a été possible de déterminer l'évolution des propriétés optiques des suies en fonction de la longueur d'onde. L'analyse des courbes d'énergie et des décroissances temporelles des signaux LII nous a de plus permis d'obtenir des informations relatives à l'évolution des propriétés physiques des suies (masse volumique, chaleur spécifique, indice de réfraction, diamètre) tout au long du processus de combustion. Enfin, grâce à un système de prélèvement par microsonde, des échantillons de suies ont pu être analysés par désorption laser, photoionisation des espèces désorbées et spectrométrie de masse à temps de vol dans le but de déterminer la nature des espèces chimiques adsorbées à la surface des suies. / Soot particles generated in combustion processes are strongly linked to various environmental and health problems. As a consequence, regulations regarding particulate emissions are becoming more and more stringent. To reduce the quantities of soot emitted into the atmosphere, fundamental studies have to be undertaken in order to better understand the mechanisms involved in the formation of soot particles. The objective of this work is to study the impact of the combustion of different types of fuels on the physical-chemical properties of soot. To this end, a hybrid bumer has been specially designed in order to generate a series of liquid fuel diffusion flames whose hydrodynamic behaviour is similar and independent of the physical properties of the tested fuels. Quantitative mappings of soot and soot precursors have been carried out in flames of kerosene, Diesel, gasoline, biofuels and various kerosene and Diesel surrogates by coupling Laser Induced Incandescence and Laser Induced Fluorescence (Lll/LIF). By comparing the LII signaIs obtained for different excitation wavelengths, it has been possible to determine the evolution of the optical properties of soot as a function of the wavelength. The evolution of the physical properties of soot particles (density, specific heat, refractive index, diameter) during the combustion process have been derived from the analysis of the LII fluence curves and time decays obtained at different heights in the flames. Finally, a microprobe sampling system has been developed in order to obtain soot samples which have then been analysed using laser desorption/laser ionization/time-of- tlight mass spectrometry to determine the nature of the chemicals adsorbed on the soot surface.

L’émission de HAPs (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) et de particules carbonées produis lors de la combustion d’hydrocarbures ont un impact important à la fois sur l’environnement et sur la santé. En effet, les particules de suie, étant des particules ultra-fines sont facilement assimilées par le système respiratoire et provoquent des troubles de l’organisme. De plus, les HAPs que ce soit en phase gazeuse ou adsorbés à la surface des suies sont reconnus comme étant des composés mutagènes et cancérigènes. La limitation des émissions de ces espèces polluantes passe par une compréhension des mécanismes à l’origine de leur formation et nécessite donc la mise en place de techniques de plus en plus sensibles pour permettre leur détection dans des flammes où évoluent de nombreuses espèces chimiques en interaction les unes avec les autres. Ce travail de thèse a donc pour objectif de développer une nouvelle méthode de détection de HAPs sélective, sensible et quantitative reposant sur l’extraction des espèces de la flamme et à leur analyse par Fluorescence Induite par laser (LIF) après refroidissement au sein d’un jet supersonique. Cette stratégie conduit à l’obtention de spectres caractéristiques de HAPs spécifiques permettant ainsi leur mesure quantitative et sélective. Grâce au développement de cette méthode, la mesure de profils de fraction molaire de trois espèces clefs dans les mécanismes de formation des HAPs (benzène, naphtalène et pyrène) a pu être réalisée dans une flamme de prémélange CH4/O2/N2 stabilisée à basse pression pour différentes conditions de pression et de richesse. En parallèle, les profils de fraction volumique de suie ont été obtenus in situ par la technique d’Incandescence Induite par Laser (LII), ce qui a permis de dégager des corrélations entre concentrations de HAPs et de particules de suie. La base de données obtenue permettra d’affiner les modèles cinétiques de formation de HAPs et de suies dans les flammes. / The emission of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) and carbonaceous particles produced during fuel combustion have a significant impact both on the environment and health. Indeed, soot particles, as ultra-fine particles are easily assimilated by the respiratory system and cause disorders of the body. In addition, PAHs either in the gas phase or adsorbed on the surface of soot are known to be mutagenic and carcinogenic compounds. Understanding of these pollutants formation requires the development of more and more sensitive techniques to allow their detection in flames, a complex environment where many chemical species interact. This thesis aims to develop a new selective, sensitive and quantitative method for detecting PAHs based on the extraction of flame species and their analysis by Laser Induced Fluorescence (LIF) after cooling within a supersonic jet. By using this method, it is possible to obtain selective spectra of individual PAHs allowing their selective and quantitative measurement in flames.With the development of this method, the measurement of mole fraction profiles of three key species in the mechanisms of PAHs formation (benzene, naphthalene and pyrene) was achieved in a CH4/O2/N2 laminar premixed flame stabilized at low pressure for different pressure and equivalence ratio conditions. In parallel, soot volume fraction profiles were measured in situ using the technique of Laser-Induced Incandescence (LII), highlighting correlations between concentrations of PAHs and soot particles. The obtained database will be useful to develop kinetics modelling of PAHs and soot formation in flames.

Thèse de doctorat : Génie des procédés : INPL : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

La structure chimique d’une flamme laminaire de prémélange suitée de n-butane (nC4H10/O2/N2) pour deux conditions de richesse (Φ=2,16 et 2,32) a été déterminée expérimentalement et par modélisation à pression atmosphérique. L’acquisition des profils de fraction molaire des espèces stables a été réalisée par chromatographie en phase gazeuse et par spectroscopie infrarouge. Les profils de température ont été obtenus par Fluorescence Induite par Laser du monoxyde d’azote. Le mécanisme développé dans cette étude contient 279 espèces impliquées dans 1422 réactions réversibles. La comparaison des profils de concentration modélisés et expérimentaux dans le cas des espèces analysées a permis de valider le modèle. Un accord satisfaisant est observé entre les résultats expérimentaux et modélisés et l’effet de la richesse est bien pris en compte par le mécanisme chimique. Le modèle cinétique a aussi été testé sur une large gamme de conditions opératoires issues de la littérature (données globales et détaillées) et a été comparé à d’autres mécanismes de la littérature. Les schémas réactionnels de formation et de consommation ont été établis et permettent de mettre en évidence les voies réactionnelles de formation du premier cycle aromatique. Les fractions volumiques de suie ont été mesurées par Incandescence Induite par Laser pour les deux richesses de flamme. / Chemical structure of a laminar premixed sooting n-butane flame (nC4H10/O2/N2) operating at two equivalence ratio (Φ=2,16 and 2,32) has been investigated at atmospheric pressure. Acquisition of mole fraction profiles of stable species is accomplished by gas chromatography and infrared spectroscopy. The temperature profiles are obtained by Laser induced Fluorescence of nitric oxide. In this work, the developed mechanism contains 279 species involved in 1422 reversible reactions. The comparison between modelled and experimental profiles was used to validate the model and a good agreement was observed. The effect of equivalence ratio is well captured by the mechanism. The kinetic model was also tested on a wide range of operating conditions found in the literature (global and detailed data) and has been compared to other mechanism from the literature. Formations and consumptions kinetic schemes were established to highlight the reaction path of the first aromatic ring. Soot volume fractions are measured by Laser Induced Incandescence for the both equivalence ratio.

Ce travail est consacré à l'étude du dépôt des particules de suie transportées par des fumées d'incendie. L'étude de la littérature donne une synthèse des propriétés connues des particules de suie produites par un incendie ainsi qu'une revue de l'état de l'art des outils disponibles pour modéliser leur dépôt. Le code Fire Dynamics Simulator, outil numérique utilisé dans ce travail, permet depuis sa version 6 de simuler le dépôt de suie mais aucune étude expérimentale à échelle réelle ne fournit de données quantitatives de dépôt qui permettraient de valider les performances de l'outil dans ce domaine. Une première campagne expérimentale a donc été réalisée pour pouvoir évaluer FDS et les modèles fournis par la littérature dans le cas du dépôt à échelle réelle de particules de suie produites par la combustion d'heptane. Ces essais ont été suivis d'une seconde campagne expérimentale à échelle réelle avec pour objectif la prise en compte de l'écoulement des fumées le long de la paroi de dépôt et de sa vitesse. Les deux campagnes d'essais à échelle réelle ont enfin été complétées par le montage d'un banc expérimental à petite échelle permettant d'étudier l'influence de la vitesse d'écoulement sur le dépôt de particules produites par un petit foyer, à l'intérieur d'une conduite. / This work is devoted to the study of the deposit of soot particles transported by fire smoke. The literature review provides a summary of the known properties of soot particles produced by fire as well as a review of the state of the art tools to model their deposit. The CFD tool Fire Dynamics Simulator allows since version 6 to predict the deposition of soot. However no full scale experimental study provides quantitative data about thermophoretically driven soot deposition, making validation impossible. A first experimental campaign was conducted to valuate FDS and modelling tools provided by the literature in the case of full-scale deposition of soot particles produced by the combustion of heptane. These tests were followed by a second full-scale experimental campaign with the aim of taking into account the flow of smoke along the wall and its speed. Both full scale campaigns were finally completed by a small-scale experimental bench mounted in order to tudy the influence of the flow rate on particle thermally driven deposition within a duct.

La croissance démographique rapide que connait le continent africain ces dernières décennies ainsi que l'exode rural, tendent de plus en plus à concentrer dans quelques mégapoles (e.g. Abidjan) une grande partie des activités nationales polluantes (transports, industries,...), en plus du développement des activités pétrolières et minières le long des côtes du Golfe de Guinée. De même, les combustions de biofuels sont largement répandues pour les besoins domestiques. Tout ceci contribue à des émissions anthropiques considérables et croissantes d'aérosols de combustion dont les inventaires sont encore très imparfaitement connus sur le continent. L'objectif premier de cette thèse a permis de mettre en évidence et de mieux caractériser les émissions de carbone suie et de carbone organique primaire associées à l'utilisation des véhicules deux roues, un mode essentiel de transport dans certains pays en Afrique de l'Ouest. Par la suite, j'ai développé deux nouveaux inventaires d'émissions de carbone suie et de carbone organique primaire à l'échelle de l'Afrique pour les années 2005 et 2030, afin de réviser et de mettre à jour les données de l'inventaire global de Junker and Liousse (2008) de 2005. Enfin, nous avons simulé les concentrations ambiantes à partir des données de nos nouveaux inventaires 2005 et 2030 à l'aide du modèle global TM5. Ce modèle peut simuler de manière satisfaisante les concentrations en zones rurales, moins bien en zones urbaines. En outre, pour les épaisseurs optiques, le modèle fournit des ordres de grandeur satisfaisants avec un positionnement encore imparfait des maxima en Afrique de l'Ouest et en Afrique Centrale. Pour l'albédo de simple diffusion, nos résultats sont encourageants, sachant que le carbone suie et le carbone organique sont seuls pris en compte dans notre version du modèle global TM5.

Les suies et leur caractérisation constituent des sujets de recherche très actuels dans divers domaines tels que le diagnostic de la combustion, la combustion numérique, l’optique atmosphérique, l'environnement et les applications de santé. Notre étude se concentre sur les propriétés radiatives des agrégats de suie issus de flammes de combustion ; notre objectif est de déterminer l’effet de la présence de suies sur le transfert de chaleur par rayonnement pour la simulation d'applications industrielles à haute température impliquant la combustion de gaz. Les études actuelles de modélisation du transfert de chaleur par rayonnement à travers les mélanges gazeux chargés de suies ne considèrent que l'absorption comme phénomène d'interaction rayonnement-matière. Des corrélations généralisées sont utilisées pour déterminer les propriétés radiatives des suies, soit sur la base de morphologies générées numériquement, soit plus simplement à partir de la taille moyenne des suies, de leur dimension fractale et de leur fraction volumique. Cependant, lorsque la taille de l'objet atteint l'ordre de grandeur des longueurs d'onde du rayonnement incident, l'interaction matière-rayonnement est susceptible d’être plus complexe du fait du phénomène de diffusion au niveau de l’agrégation qui ne peut plus être ignoré.Dans notre travail, nous établissons une méthodologie complète assortie d’une chaîne de calcul allant de la définition d'une morphologie de suie réaliste jusqu'au calcul du transfert de chaleur par rayonnement. À cette fin, des observations de suies émises par des flammes propane / air, méthane / air et méthane / oxygène sont effectuées par Microscopie Electronique à Balayage (MEB). La tomographie MEB est appliquée pour la première fois sur une suie issue d’une flamme propane / air, en combinaison avec la Microscopie Electronique en Transmission (MET) pour les observations. Des techniques d'analyse fractale 2D et 3D sont utilisées pour étudier les propriétés fractales d’agrégats de suie virtuels (générés numériquement) et de l'objet obtenu par la tomographie. Les propriétés radiatives des suies sont ensuite calculées en utilisant notre propre code d’Approximation Dipolaire Discrète (ADD – Discrete Dipole Approximation, ou DDA, en anglais). Une attention particulière est accordée à la modélisation ADD des suies en raison de l’indice optique complexe élevé de leur matériau constitutif, et aux méthodes numériques d’intégration directionnelle car les moyennes directionnelles des propriétés radiatives sont nécessaires pour les simulations ultérieures de transfert radiatif. La morphologie et les propriétés radiatives de l’agrégat de suie réaliste (tomographié) sont comparées à celles d'agrégats de suie numériques représentatifs, générés par un algorithme d’agrégation amas-amas limitée par la diffusion (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation, ou DLCCA, en anglais). Les compatibilités et les écarts entre les propriétés radiatives sont examinés, et les différences entre agrégats numériques représentatifs d’une part et agrégat réaliste d’autre part en termes de propriétés radiatives sont soulignées. Enfin, l'effet de la présence et de la morphologie des suies sur le transfert de chaleur par rayonnement est étudié par la résolution de l'équation du transfert radiatif en utilisant la méthode des ordonnées discrètes (Discrete Ordinates Method, ou DOM, en anglais) dans un mélange gazeux chargé de suies et dans une configuration académique 1D de plaques parallèles isothermes. / Soot and its characterization are of interest to researchers from various domains such as combustion diagnostics, numerical combustion, atmospheric optics, environmental and health applications. In this study, the main interest is on the radiative properties of soot aggregates issued directly from combustion flames in order to determine the effect of the presence of soot on the radiative heat transfer in the simulation of high temperature industrial applications involving gas combustion. Current studies modeling the radiative heat transfer through sooty gaseous media consider only the absorption as the main phenomenon of material-radiation interaction. Generalized correlations are used to determine the radiative properties of soot: these radiative properties are either computed over numerically generated aggregate morphologies or simply as a function of the soot average size, the fractal dimension and the volume fraction. However, the material-radiation interaction is susceptible to be more complex and morphology dependent at the aggregate level because of multiple scattering when the size of the object reaches the order of magnitude of the incident radiation wavelengths.In our work, we investigate the possibility to establish a computational methodology and workflow, starting from the definition of a realistic soot morphology up to the computation of the radiative heat transfer. To that end, observations of soot issued from propane/air, methane/air and methane/oxygen flames are performed using Scanning Electron Microscopy (SEM). SEM tomography is applied for the first time on soot issued from a propane/air flame, combined with Transmission Electron Microscopy (TEM) observations. 2D and 3D fractal analysis techniques are used to investigate the fractal properties of virtual (numerically generated) soot clusters and also of the tomography reconstructed objects. The radiative properties of soot are then computed using our in-house developed DDA (Discrete Dipole Approximation) code. Special attention is paid to the DDA modeling of soot because of the high complex extinction index of the material, and to the directional integration numerical methods because direction-averaged radiative properties are required for the subsequent radiative heat transfer simulations. The morphology and the radiative properties of the realistic morphology are compared to the ones of representative soot aggregates numerically generated by a DLCCA (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation) algorithm. The similarities and discrepancies on the radiative properties are investigated, and the differences between representative virtual aggregates on the one hand and the tomography reconstructed object on the other hand in terms of radiative properties are highlighted. Finally the effect of the presence and of the morphology of soot on the radiative heat transfer within a sooty gaseous mixture in a 1D isothermal parallel plate configuration is investigated by the resolution of the radiative transfer equation using DOM (Discrete Ordinates Method).

Une première approche de la simulation des incendies est menée à l'aide du code CFD d'EDF R&D Code_Saturne. Une extension de son schéma incompressible et une adapta- tion des conditions limites libres sont développées afin de traiter des flammes à bas nombre de Froude instationnaires et dominées par la convection naturelle grâce à une modélisation URANS. La turbulence est traitée à l'aide d'un modèle k − " tenant compte de la gravité. La combustion est traitée à l'aide d'une réaction globale infiniment rapide et l'interaction avec la turbulence par une approche statistique présumant une fonction densité de proba- bilité. L'équation des transferts radiatifs est résolue à l'aide de la méthode des ordonnées discrètes. Les propriétés radiatives du milieu sont estimées à l'aide d'un modèle à larges bandes. Le modèle semi-empirique utilisé pour les suies tient compte des processus de nu- cléation, croissance, agglomération et oxydation. Le modèle est appliqué à des panaches thermiques et d'hélium, configurations proches des feux. Le gain minime apporté par les fermetures testées sur le modèle de turbulence suggère que le calcul des flux turbulents scalaires est plus important. En revanche, le gain lié au schéma faiblement compressible est considérable. Le modèle est ensuite appliqué à deux types de feu. Sur le feu de nappe, un maillage fin est nécessaire pour pallier un défaut de turbulence et obtenir une bonne prédiction sur les grandeurs caractéristiques. Cette conclusion est modérée par les résultats obtenus sur le feu de compartiment pour lequel les prédictions sont raisonnables malgré les maillages grossiers utilisés, le rayonnement des fumées et des parois ayant une forte influence.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3784. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p.181-193.