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Theses

Experimental Characterization of Electrical Discharges and Formation of the Ignition Kernel. Application to the Study of Performances of Aeronautical Igniters

Résumé : Les systèmes d'allumage par étincelle sont généralement définis par l'énergie électrique utilisée pour leur fonctionnement. Cependant, la caractéristique physique qui affecte directement le processus d'allumage est l'énergie déposée dans le fluide par le système. Ce travail porte sur le développement de deux méthodologies proposées pour la caractérisation du dépôt d’énergie thermique de décharges électriques produites par différents systèmes d'allumage et de leur mise en œuvre au travers d’une étude paramétrique.Un dispositif expérimental est mis au point afin de développer et mettre en œuvre simultanément les deux techniques: une technique non optique, la calorimétrie à volume constant, et une technique optique, la SBOS (Speckle-based Background-Oriented Schlieren). L’étape de validation de ces méthodes est réalisée dans une configuration de référence d’un allumeur inductif alimentant une paire d'électrodes pointe-pointe.La calorimétrie à volume constant permet de mesurer un dépôt d'énergie thermique fournie au fluide par l’analyse de la montée en pression à l'intérieur d'une chambre de petit volume. Un suivi temporel du dépôt d’énergie pendant la décharge est ainsi obtenu. La mesure globale dans un volume de contrôle rend cette technique adaptable à tous types de décharges et d’électrodes. Le rapport entre le dépôt d'énergie thermique et l'apport d'énergie électrique représente l'efficacité du transfert d'énergie. Cette dernière est comprise entre 15 et 40 % pour la configuration de référence. Le dépôt d'énergie et l'efficacité du transfert d’énergie sont plus élevés à mesure que la pression et l'écart inter-électrode augmentent. Des essais avec un mélange inerte azote-propane montrent que le dépôt d'énergie est plus important en présence de carburant que dans l'air pur.La SBOS est une méthode optique permettant de quantifier les variations d’indice optique générés par le phénomène étudié. Le principe consiste à comparer des images d’un motif visualisé au travers du phénomène avec ce même motif en l’absence de phénomène. Cette technique est ici adaptée aux contraintes d’échelles spatiale et temporelle d’une décharge électrique. Une procédure de traitement a été développée afin d’obtenir les champs de masse volumique, de température et enfin l'énergie locale au moment de l'acquisition de l'image. Le volume du noyau chaud produit par le plasma et le dépôt d'énergie en sont déduits. Ces propriétés sont mesurées à différents instants de l'évolution du noyau. Dans la configuration de référence, il est montré que les températures dans le noyau chaud atteignent des valeurs plus élevées pour des distances inter-électrodes et des pressions plus élevées ou encore en présence de carburant. Le volume du noyau chaud est en revanche réduit lorsque la pression ou la distance inter-électrode augmente. Des mesures simultanées de dépôt d’énergie par les deux techniques montrent un très bon accord entre la SBOS et la calorimétrie.Enfin, les deux méthodologies sont adaptées à l'étude de différents systèmes d'allumage. Ainsi, deux allumeurs ont été testés, un allumeur à décharge radiofréquence multi filamentaires innovant et un allumeur capacitif typique d’un moteur d’hélicoptère. Pour ce dernier, le dépôt d'énergie est mesuré pour différentes pressions initiales et mélanges gazeux afin de simuler les conditions réelles du moteur. La technique SBOS est utilisée pour estimer la température dans le noyau chaud aux premiers instants de la décharge (jusqu'à 3500 K) et le dépôt d’énergie thermique qui est en bon accord avec la mesure calorimétrique. Le rendement ce cette décharge spécifique semble peu dépendant des conditions thermodynamiques du mélange et est estimé à 14%.
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Theses
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Monday, June 8, 2020 - 11:40:21 AM
Last modification on : Tuesday, June 9, 2020 - 3:29:43 AM

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2019ESMA0021_benito-pajero.pdf
Version validated by the jury (STAR)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02860055, version 1

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Carlos Javier Benito Pajero. Experimental Characterization of Electrical Discharges and Formation of the Ignition Kernel. Application to the Study of Performances of Aeronautical Igniters. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2019. English. ⟨NNT : 2019ESMA0021⟩. ⟨tel-02860055⟩

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