Étude de l'électrisation de gouttes de carburant aéronautique / Thomas Cantegril ; sous la direction de Marc Bellenoue et de Christophe Louste et de Julien Sotton

Résumé / Abstract : Le secteur aéronautique doit relever des défis environnementaux majeurs pour les décennies à venir. Afin de réduire son impact environnemental, des objectifs ambitieux ont été fixés par des instances comme l’ACARE, visant une neutralité carbone d'ici 2050. Parmi ces objectifs, une réduction de 90 % des émissions d’oxydes d’azote par rapport à 2000, une baisse de 55 % des émissions de CO₂ d’ici 2030 par rapport à 1990 comme une diminution des particules fines et des traînées de condensation sont donc attendus. Pour y parvenir, l’amélioration de la combustion dans les moteurs, principale source de ces émissions, est cruciale. Un des leviers d’optimisation est l’atomisation, qui contrôle la distribution du combustible dans la chambre de combustion. Une atomisation maîtrisée réduit les zones riches en carburant, limitant ainsi la formation de particules fines. Actuellement, des systèmes aéromécaniques génèrent de fines gouttelettes via des jets d’air et des orifices calibrés. Une alternative prometteuse est l’électro-atomisation, qui utilise des champs électriques intenses pour produire des gouttelettes de petites dimensions. Cette thèse explore l’électro-atomisation et son potentiel pour l’aéronautique. Les propriétés électriques de deux carburants – un kérosène et un mélange substitut composé de dodécane et d’éthanol – sont analysées à différentes températures, notamment leur conductivité et permittivité électriques. Ces caractéristiques permettent de comprendre la capacite de chargement électrique des liquides diélectriques. Un banc expérimental dédié a été développé pour étudier la production de gouttes à faibles débits sous haute tension. L’influence du débit et de la tension sur la taille et la charge électrique des gouttes est analysée, avec pour objectif d’approcher la charge de Rayleigh, seuil où une goutte explose pour former des gouttelettes plus fines, ce qui pourrait améliorer la combustion. Cette analyse étudie également l’équilibre entre forces électriques et tension superficielle dans la formation des gouttes.

Résumé / Abstract : The aviation sector must address major environmental challenges in the coming decades. To reduce its environmental impact, ambitious targets have been set by organizations such as ACARE, aiming for carbon neutrality by 2050. These goals include a 90% reduction in nitrogen oxide emissions compared to 2000, a 55% decrease in CO₂ emissions by 2030 relative to 1990, as well as a reduction in fine particulate matter and contrail formation. Achieving these objectives requires improvements in combustion within engines, location of the main source of these emissions. One key optimization lever is atomization, which could controls the distribution of kerosene in the combustion chamber. Effective atomization minimizes fuel-rich zones, thereby reducing the formation of fine particles. Currently, aerodynamic systems generate fine droplets using air jets and calibrated orifices. A promising alternative is electro-atomization, which utilizes strong electric fields to produce droplets.This thesis explores electro-atomization and its potential for the aviation industry. The electrical properties of two fuels—a kerosene and a substitute mixture of dodecane and ethanol—are analyzed at different temperatures, focusing on their electrical conductivity and permittivity. These properties provide insights into the charging behavior of dielectric liquids.A dedicated experimental setup has been developped to study droplet production at low flow rates under high voltage. The influence of flow rate and voltage on droplet size and charge is analyzed, with the objective to approach the Rayleigh charge limit, a threshold at which a droplet explodes into finer droplets, potentially enhancing combustion. This analysis also examines the balance between electric forces and surface tension in droplet formation.