Proposition de stages, thèses et post-docs

Laboratoire de Physicochimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère
PC2A - UMR 8522 CNRS/Lille1
Université Lille 1 Sciences et Technologies
Cité scientifique, Bâtiment C11/C5
59655 Villeneuve d'Ascq Cedex, France

Le Laboratoire de Physicochimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère de l'Université Lille1 Sciences et Technologies cherche des physico-chimistes, chimistes ou physiciens de formation, pour préparer un stage de recherche Master (Année universitaire 2020-2021), une thèse de doctorat (à partir d'Octobre 2020), ou un Post-Doc dans le domaine de l'énergétique et de l'environnement.

Les sujets de recherche proposés concernent les domaines de la combustion, de la sûreté nucléaire et de l'environnement. Ils s'inscrivent dans des axes de recherche soutenus par le Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, le CNRS-INSIS, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et le Contrat de Projet Etat-Région Hauts de France.

Les candidatures, comportant un CV et une lettre de motivation, doivent être soumises auprès des chercheurs responsables des sujets proposés.

Master 2

On the influence of hydrogen on the low-temperature combustion kinetics of biofuels

Considering the environmental costs of manufacturing, running and disposing of electric vehicles, the opportunity to use internal combustion engines fueled with hydrogen is much more realistic than expecting a nearly immediate global uptake of electric vehicles. Governments are putting strategic plans in motion to decrease primary energy use, take carbon out of fuels and facilitate modal shifts. Taking a prominent place in these strategic plans is hydrogen as a future energy carrier. A number of manufacturers are now leasing demonstration vehicles to consumers using hydrogen-fueled internal combustion engines. This dual-fuel application shows a decrease of NOx, smoke, CO and unburnt hydrocarbons emissions.
However, fundamental studies on the hydrogen process affecting the low temperature combustion kinetics of carbon fuels are scarce, especially with oxygenated fuels produced from biomass. Low temperature combustion kinetics are initiated by the interaction of fuel-originated primary radicals and molecular oxygen, leading to an increase of the reactivity in the temperature range 650-800 K. It affects the operation of internal combustion engines, and ultimately their efficiency and pollutant emissions.
A global parameter is widely used for the characterization of a fuel: the ignition delay time (IDT). It describes the time required for a fuel/air mixture to ignite under known conditions of temperature and pressure. The study of the IDT allows the formulation of fuels and the optimization of fuel/air equivalence ratio required for an optimal performance of an engine.
During this internship, we propose the measurement of the IDT of different fuels mixed with H2 depending on the chemical nature of the fuel – alkane, alkene, alcohol or ketone – to cover the potential chemicals that could be found in fossil fuels or biofuels. The facility used at PC2A is a rapid compression machine. This facility compresses the fuel / air mixture within 45 ms to pressures up to 25 bar heating the mixture to temperatures of 600 and 900 K. It is a temperature range allowing the study of the low-temperature kinetics of combustion. The analysis of results will make it possible to draw a trend in the interaction of chemical functions with H2.
Key words: Hydrogen, biofuels, ignition delay times, pollutants, combustion

Laboratory: PC2A

Supervisor: FENARD Yann

Tél : 03.20.43.48.04, E-mail: yann.fenard@univ-lille.fr

Co-supervisor:                VANHOVE Guillaume

CaPPA Work Package:     WP-1 From gas phase to aerosols 

Towards low-pollutant combustion technologies: Experimental studies of ozone-assisted combustion

The future of combustion engines is dependent on significant reduction in pollutant emissions, as well as improvement in fuel efficiency and substantial reduction in fuel consumption. Controlled initiation of the combustion is a crucial step towards these goals, with wide ranges of application including piston engines, constant volume combustors, gas turbines and aeronautic engines. In all these cases, reproducible initiation of the combustion phase is sought, multipoint or volumetric ignition being preferred. However, fuel ignition is highly dependent on the chemical kinetics associated with Low Temperature Combustion (LTC).

The chemical mechanisms relevant to LTC include the formation of unstable peroxides, the structure of which reflects the initial fuel. The reactivity of a fuel in this temperature regime is therefore highly constrained by its structure. This is also true for next generation biofuels, whose oxidation pathways can be strongly different from “traditional” fossil fuels. To facilitate ignition of such fuels, ozone-seeding has been suggested as a practical and easy solution.

To investigate the potential of this technology, a burner dedicated to the study of stabilized cool flames has been designed and validated. The potential to perform detailed kinetic studies through a number of optical and analytical diagnostics has been demonstrated, including Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF), chemiluminescence and gas chromatographic techniques. These data can be used to validate kinetic models of the LTC chemistry under these rarely investigated conditions.

As part of this work, the panel of diagnostics associated to the burner will be extended to flow-field characterization optical techniques, as well as techniques dedicated to the detection of unstable species, such as VUV photoionization mass spectrometry.

Laboratory: PC2A

Supervisor: VANHOVE Guillaume

Tél : 03.20.43.44.85, E-mail: guillaume.vanhove@univ-lille.fr

Co-supervisor:                PILLIER Laure

CaPPA Work Package:     WP-1 From gas phase to aerosols 

 

 

 

Thèses

Identification de seuils universels de concentrations de composés aromatiques à l’origine de la formations des premières particules de suies dans les flammes

La formation des particules fines dans les flammes constitue un problème majeur dans les procédés utilisant la combustion pour la conversion de l’énergie. L’identification des facteurs déterminants la genèse de ces premières particules est une question fondamentale qui pose de nombreuses difficultés expérimentales et théoriques. Très récemment, en s’appuyant sur des études expérimentales utilisant l’hydrogène moléculaire dans les systèmes réactifs initiaux, il a été mis en évidence la possibilité d’existence de « concentrations seuils universels » de composés aromatiques à l’origine de l’apparition des particules fines. Ces études menées sur des flammes de méthane dans des conditions particulières, montrent en effet l’invariabilité de ces seuils vis à vis de la pression, le taux de dilution et de la manière dont l’hydrogène est introduit dans la flamme (ajout ou substitution) de méthane. Ces observations, s’elles venaient à être confirmées, peuvent avoir des retombées pratiques majeures en termes d’applications industrielles notamment dans le secteur de
transport. L’identification d’un « seuil universel » signifierait en effet la possibilité d’identifier les conditions optimales permettant son évitement. Cependant, ces hypothèses nécessitent une validation expérimentale bien plus large. En plus de l’effet de la pression, la dilution et de la composition initiale, le contrôle de la nature du fuel sur ces supposés seuils universels de concentration de composés aromatiques est absolument nécessaire. Ce projet propose donc d’étudier l’impact de ce paramètre en examinant l’effet des structures de différentes familles chimiques qui sont les alcanes (linéaires et ramifiés), les cyclo-alcanes, les alcynes, les alcènes et les structures aromatiques. Ce travail expérimental très conséquent s’appuiera sur des dispositifs optiques et analytiques performants et hautement sensibles pour l’analyse de la phase gazeuse et
particulaire dans des flammes particulières ces différents composés.

Programmes de recherche en lien avec le sujet : Labex CAPPA

Responsables et coordonnées :

Abderrahman El Bakali  abderrahman.elbakali@unv-lille.fr          Tél : 03 20 43 48 04
Xavier Mercier               xavier.mercier@univ-lille.fr                     Tél : 03 20 43 48 04

 

 

Amélioration de la qualité de l’air dans les enceintes ferroviaires souterraines

La qualité de l’air est un enjeu environnemental et sanitaire fort. Les impacts sanitaires et économiques ont fait et continuent de faire l’objet de nombreuses études. Sur le volet santé publique, depuis le début des années 2000, des travaux visent à mieux connaître la qualité de l’air, qu’il s’agisse de l’air ambiant extérieur ou, plus récemment, de l’air intérieur, et à déterminer les solutions efficaces de réduction des polluants. Depuis plusieurs années, ce sujet revient régulièrement dans le débat public.

La présence de particules (PM10 et PM2.5) dans les enceintes ferroviaires souterraines est un risque en émergence de santé publique et de santé au travail (exposition des conducteurs de RER, agents en charge de la maintenance des infrastructures, régulateur de flux, agents d’accueil, etc.). C’est aussi un sujet d’image sur la capacité de SNCF à prendre en charge le sujet.

Dans les emprises ferroviaires souterraines, les PM10 et PM2.5 présentes proviennent de deux sources majoritaires très différentes de celles de l’air extérieur : (i) l’usure du train : frottement lors du freinage, contact roue-rail, contact caténaire-pantographe) et (ii) l’usure de l’infrastructure : poussière de ballast, poussières des ciments des tunnels et des revêtements. D’autres sources a priori plus minoritaires sont à considérer : (iii) les travaux de maintenance (trains diesel, activités industrielles), (iv) l’air extérieur, variable en fonction de l’ouverture de la gare sur l’extérieur et de la ventilation, (v) les personnes (poussières transportées et émises). Le principal vecteur de diffusion dans les souterrains est la circulation des trains qui, par le brassage de l’air qu’elle cause, participe à la remise en suspension dans l’air des particules présentes sur la voie et à leur envol sur les quais et dans les autres espaces des gares.

L’objectif de cette thèse est de déterminer la contribution de chacun des paramètres régissant les variations des concentrations de particules dans les enceintes ferroviaires, à partir des données déjà collectées dans des gares parisiennes ou de données complémentaires à acquérir. Ce travail permettra d’évaluer l’efficacité potentielle de méthodes d’amélioration de la qualité de l’air pouvant être implémentées dans ces environnements.

 

Les candidats recherchés devront être titulaires d’un M2 en chimie atmosphérique, sciences de l’environnement, physicochimie analytique, génie civil... Une forte composante d’analyse de données est à prévoir.

 

La thèse sera dirigée par B. Hanoune (PC2A) et co-encadrée par S. Crumeyrolle (https://www-loa.univ-lille1.fr/). Elle se déroulera au centre de recherche de la SNCF (Saint-Denis), dans le cadre d’une convention CIFRE.

 

 

Mots-clés : qualité de l’air, pollution intérieure, particules, enceintes ferroviaires souterraines.

 

Contacts : Benjamin Hanoune (benjamin.hanoune@univ-lille.fr),

                Suzanna Crumeyrolle (suzanne.crumeyrolle@univ-lille.fr)

                           

 

Post-docs

Filled, Development of reliable kinetic models of OPAHs/PAHs for the combustion of oxygenated biofuels

Subject description:

Most currently proposed biofuels contain in their chemical structure one or more oxygen atoms, e.g. alcohols, esters or ethers (called “oxygenated biofuels”). They are considered as promising sources of renewable energy production, which reduces CO2 emissions and fossil fuel dependence. The use of biofuels is increasing, especially those produced from non-edible cellulosic biomass. Due to the presence of oxygen atoms in the chemical structure of biofuels, soot particles generated from the combustion of oxygenated biofuels contain a high proportion of oxygenates, including oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbons (OPAHs) recognized as particularly toxic, thus making soot particles more of a health hazard. The understandings of the formation mechanisms of OPAHs, the relationship between OPAHs and PAHs, and their roles in the soot formation process during biofuel combustion are thus crucial, which help promoting cleaner biofuel combustion technologies. The proposed postdoc project aims to develop reliable kinetic models of OPAHs/PAHs for the combustion of oxygenated biofuels. These models will be tested against experimental data in the literature and those currently being measured at PC2A laboratory. The work includes the following tasks:

-Bibliographic study on OPAHs, associated PAHs, and soot in the combustion of oxygenated biofuels.

-Investigation of reaction pathways of OPAHs and associated PAHs.

-Calculation of missing kinetic and thermodynamic data.

-Validation of the proposed kinetic models against experimental data.

-Analysis and processing of results, and writing of articles.

 

Candidate profile:

Applicants must have a Ph.D with a strong component in combustion kinetic model development. Experience and aptitude for the modelling approach of PAHs and OPAHs are essential. Skills in theoretical calculations of kinetic and thermodynamic data for combustion conditions are necessary. Skill in soot modelling is an advantage. The candidate will have to justify his/her abilities, particularly in terms of thoroughness and autonomy.

Financial support: I-SITE ULNE (http://www.isite-ulne.fr/index.php/en/i-site-a-label-of-university-of-ex...)

Planned start: November 2020

Duration: 18 months

Salary: ~2500 euros gross/month

 

How to apply:

Email to Dr. Luc-Sy TRAN (luc-sy.tran@univ-lille.fr):

- CV

- Cover letter

- References

 

Deadline:  15 September 2020