Morphological Characterization of Soot From An Idealized Diffusion Flame and from Polymer Combustion

Dans cette thèse, nous visons à étudier la morphologie de la suie obtenue à partir de deux configurations expérimentales, notamment à partir d'une simple flamme de diffusion unidimensionnelle à contre-courant et d'une flamme complexe résultant de la combustion de polymères. Étant donné la complexité du mécanisme de formation de la suie et les brûleurs conventionnels utilisés pour l'étudier caractérisés par un fort couplage entre le champ d'écoulement et la chimie de la flamme, nous proposons d'étudier dans un premier temps son évolution morphologique dans une flamme située dans un champ d'écoulement unidimensionnel. Les données recueillies dans cette configuration simple sont primordiales pour le développement de modèles prédictifs de formation de suie car les flammes de diffusion turbulentes rencontrées de manière omniprésente dans les applications pratiques peuvent être modélisées comme des flammes de diffusion unidimensionnelles laminaires. De plus, la morphologie de la suie est également importante lors de l'étude de sa toxicité. Nous proposons d'étendre l'étude de sa morphologie à une flamme représentative d'une combustion accidentelle obtenue dans un calorimètre à cône en raison de son intérêt pour les études de toxicité et de sécurité incendie. Le brûleur utilisé pour la flamme de diffusion unidimensionnelle fonctionne avec du méthane et de l'oxygène comme réactifs, dilués avec du dioxyde de carbone pour contrôler la richesse de mélange. Il se caractérise par un flux de comburant qui diffuse à contre-courant d'un écoulement unidimensionnel, résultant en un écoulement unidirectionnel au niveau de la nappe de flamme et permettant de longs temps de résidence de la suie du côté combustible de la flamme. Pour acquérir la suie, une méthode d'échantillonnage est développée à l'aide de grilles de microscope électronique à transmission en nickel revêtues de carbone. Les agrégats sont collectés à divers endroits dans la couche de suie de quatre flammes caractérisées par une richesse de mélange croissante. Les échantillons sont visualisés et enregistrés sur un microscope électronique à transmission. La méthode d'échantillonnage est ensuite étendue pour collecter la suie des polymères en combustion dans le calorimètre à cône. Le matériau utilisé pour la flamme de polymère est constitué d'un polyuréthane thermoplastique renforcé de cellulose mélangé à des additifs ignifuges, à savoir du polyphosphate de mélamine et du charbon actif à différentes charges selon une méthodologie de conception d'expériences. De plus, un prélèvement d'aérosol est effectué au-dessus de la flamme de polymère pour suivre l'évolution de la taille des particules tout au long de la durée de la combustion. Pour faciliter l'analyse morphologique des agrégats de suie collectés dans ces deux configurations, un algorithme de détection des monomères de suie est présenté qui utilise les bords externes des agrégats individuels comme image d'entrée. L'algorithme est développé en utilisant la suie des deux configurations pour étendre son domaine d'application, compte tenu du large spectre de morphologies attendues de ces flammes. Les performances de l'algorithme de détection ont été évaluées à l'aide d'échantillons de suie provenant de flammes unidimensionnelles et de flammes polymères de plus en plus riches. Il a été en mesure de détecter un déplacement de la distribution de taille vers des particules plus grosses, comme prévu. De plus, la suie obtenue à partir de polymères en combustion a montré des diamètres de monomères considérablement plus grands, tels que détectés par l'algorithme. Cependant, la distribution de taille était généralement sous-estimée par l'algorithme par rapport à celle obtenue par mesure manuelle. En comparant les emplacements entre les monomères de suie mesurés manuellement et ceux détectés automatiquement, nous avons pu observer que la première méthode se concentre généralement sur les régions internes à l'agrégat. Cette observation suggère la nécessité d'utiliser une image d’entrée plus complète contenant aussi des bords dans la région interne des agrégats pour une meilleure performance de l'algorithme.