Flame spread in microgravity environment : influence of ambient flow conditions
Institution:
Sorbonne universitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Flame spread and smoke emission are two primary threats in spacecraft environment, and soot radiations play a major role in both. In this context, the first objective of this PhD is to develop an optical diagnostic to probe soot particles in the axisymmetric laminar spreading flame. None of the existing techniques is able to probe the densely sooted flames expected in microgravity, while accommodating space station material constraints. A new methodology extending a laser-based diagnostic to broadband optics is thus developed to provide soot volume fraction and temperature mappings, which are required to detail soot-related radiative losses in the flame. Radiative losses in turn give access to radiative feedback to the fuel surface. This methodology is successfully assessed at normal gravity, before being implemented in parabolic flight. Numerical investigations are conjointly carried out to highlight the robustness of the measurements, and to investigate potential errors linked to the radiative model adopted. Results from parabolic flight campaigns show that flame spread rate mainly is a function of oxygen content, while smoke emission is affected by oxygen content and pressure. Focusing on the evolution of soot radiative properties with pressure, flame radiative losses are found to increase with pressure, reducing temperature at the trailing edge until soot oxidation reactions are frozen. Measured smoke point temperature and radiative properties are consistent with observations at Earth gravity. At any pressure, a stable portion of the soot-related radiative losses is fed back to the wire surface, and compensates part of the fuel surface radiative losses.
Abstract FR:
Dans un vaisseau spatial, la propagation de flammes et le dégagement de fumée sont deux dangers. Les radiations des suies jouant un rôle important dans ces deux scénarios, cette thèse développe d'abord un dispositif optique capable de sonder les particules de suies produites dans une flamme laminaire axisymétrique se propageant en micropesanteur. Aucune technique actuelle ne peut estimer avec précision les grandes quantités de suies escomptées tout en respectant les critères de compacité du spatial. Une nouvelle méthode, qui étend un diagnostic conçu pour un système laser à des optiques larges, est alors développée pour avoir accès aux champs de fraction volumique et de température de suie nécessaires à la description des pertes radiatives dans la flamme. Celles-ci donnent alors accès à la fraction rayonnée en direction de la surface du combustible. Cette méthode validée à gravité terrestre est implémentée en vol. Des simulations numériques associées quantifient les erreurs liées au modèle radiatif. Les résultats montrent que la vitesse de propagation de flamme dépend de la concentration en oxygène, qui, avec la pression, influence également le dégagement de fumée. On constate que les pertes radiatives liées aux suies augmentent avec la pression, ce qui diminue la température en queue de flamme jusqu'à bloquer les réactions d’oxydation des suies. Des températures seuils et des fraction rayonnées en accord avec les observations à gravité terrestre sont rapportées. Une portion des pertes radiatives, indépendante de la pression, est rayonnée en retour compensant en partie les pertes radiatives à la surface du fil.