Etude expérimentale et cinétique de la formation du monoxyde d'azote lors de la combustion de molécules d'intérêt aéronautique // Experimental and kinetic study of nitrogen monoxide formation during the combustion of molecules of interest to aeronautics

Contexte : La feuille de route scientifique pour l'aéronautique civile 2024-2025 indique la nécessité de produire et d'utiliser des carburants soutenables et durables (CSD) ou SAF (Sustainable Aviation Fuels) qui doivent être compatibles pour la combustion aéronautique. Le carburant actuel à base de kérosène peut déjà intégrer jusqu'à 50% de CSD. Le besoin de connaitre la cinétique chimique (mécanismes réactionnels) des CSD ainsi que les processus de formation de polluants associés, dont le monoxyde d'azote (NO), est souligné. Les processus de formation/consommation de NO ont fait l'objet d'études expérimentales dans différents réacteurs et ils sont décrits dans de nombreux mécanismes chimiques selon 3 voies principales : 1/ le mécanisme du NO-thermique (ou Zeldovich) qui est parfaitement connu, repose sur la réaction N2 + O = NO + N favorisée à haute température, 2/ le mécanisme du NO précoce (ou prompt-NO), qui repose sur la réaction d'initiation CH + N2 = NCN + H, 3/ le mécanisme du N2O qui est initié par la N2 + O (+ M) = N2O (+ M), est favorisé à haute pression.
La compréhension du mécanisme du NO précoce s'est appuyée sur un nombre limité d'études expérimentales réalisées avec des hydrocarbures de petite taille. Un élément essentiel pour maitriser la compréhension de ce mécanisme réside dans la mesure conjointe de l'espèce précurseur (le radical CH), et du produit NO.

Objectif de la thèse : Elargir la base de données CH/NO à des carburants d'intérêt aéronautique (notamment de la famille des alkylbenzènes) afin d'établir un mécanisme chimique de formation de NO adapté à ces carburants. Les études seront réalisées dans un brûleur académique permettant de faire des mesures locales de CH et de NO en utilisant des techniques de spectroscopie laser bien maîtrisées au laboratoire, à savoir la Fluorescence Induite par Laser (LIF) calibrée par une technique d'absorption ultrasensible Cavity RingDown Spectroscopy CRDS. Les mesures combinées de ces 2 espèces, ainsi que de la température, permettront de mieux comprendre la voie de formation du NO précoce.
Méthodologie expérimentale : La mesure des profils de température, du radical CH et de NO est effectuée par LIF in situ. La quantification des signaux relatifs LIF de CH se fait par CRDS. En fonction des besoins qui seront soulevés par la modélisation, une mesure supplémentaire de CH2 pourra être effectuée par LIF-CRDS.
Modélisation : Les mécanismes d'oxydation rendent comptent des étapes essentielles d'oxydation des molécules. Cependant, le radical CH (précurseur du NO précoce) fait rarement l'objet d'intérêt particulier dans leur développement. La tâche de modélisation consistera donc non seulement à associer un mécanisme de NO précoce aux mécanismes d'oxydation de la littérature mais surtout d'identifier les étapes cinétiques de formation de CH à partir des intermédiaires réactionnels formés lors de la combustion des molécules ciblées. Ce travail vise à être intégré à des simulations numériques de production de NO dans des réacteurs aéronautiques.

Equipe d'accueil du PC2A : Notre équipe a une reconnaissance internationale au niveau de l'établissement du mécanisme du NO-précoce, tant sur le plan expérimental par la quantification par couplage LIF/CRDS de plusieurs espèces clés (CH, NCN, CN, NH, NCO, HCN, NO) impliquées dans la formation de NO, que sur le plan de la modélisation, pour laquelle un sous-mécanisme NO-MECHA, développé par notre équipe, a pu être intégré avec succès à plusieurs mécanismes internationaux.
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Context: The scientific roadmap for civil aviation 2024-2025 indicates the need to produce and use Sustainable Aviation Fuels (SAF) that must be compatible for aviation combustion. Current kerosene-based fuel can already incorporate up to 50% SAF. The need to understand the chemical kinetics (reaction mechanisms) of SAFs and the associated pollutant formation processes, including nitrogen monoxide (NO), is emphasized. NO formation/consumption processes have been studied experimentally in various reactors and are described in numerous chemical mechanisms according to three main pathways: 1/ the well-known thermal NO (or Zeldovich) mechanism, based on the reaction N2 + O = NO + N, which is favored at high temperatures, 2/ the prompt NO mechanism, based on the initiation reaction CH + N2 = NCN + H, 3/ the N2O mechanism, which is initiated by N2 + O (+ M) = N2O (+ M) and is favored at high pressure.
Understanding of the early NO mechanism has been based on a limited number of experimental studies conducted with small hydrocarbons. A key element in understanding this mechanism is the joint measurement of the precursor species (the CH radical) and the NO product.

Thesis objective: Expand the CH/NO database to include fuels of interest to the aviation industry (particularly the alkylbenzene family) in order to establish a chemical mechanism for NO formation adapted to these fuels. The studies will be carried out in an academic burner allowing local measurements of CH and NO using laser spectroscopy techniques that are well mastered in the laboratory, namely Laser-Induced Fluorescence (LIF) calibrated by a highly sensitive absorption technique called Cavity RingDown Spectroscopy CRDS. Combined measurements of these two species, as well as temperature, will provide a better understanding of the early NO formation pathway.
Experimental methodology: Temperature profiles, CH radicals, and NO are measured using in situ LIF. The relative LIF signals for CH are quantified using CRDS. Depending on the needs identified by the modeling, an additional measurement of CH2 may be performed using LIF-CRDS.
Modeling: Oxidation mechanisms account for the essential stages of molecule oxidation. However, the CH radical (precursor of prompt-NO) is rarely the subject of particular interest in their development. The modeling task will therefore consist not only of associating a prompt-NO mechanism with the oxidation mechanisms described in the literature, but above all of identifying the kinetic stages of CH formation from the reaction intermediates formed during the combustion of the target molecules. This work aims to be integrated into numerical simulations of NO production in aeronautical reactors.

PC2A host team: Our team is internationally recognized for establishing the prompt-NO mechanism, both experimentally through LIF/CRDS coupling quantification of several key species (CH, NCN, CN, NH, NCO, HCN, NO) involved in NO formation, and in terms of modeling, for which a NO-MECHA sub-mechanism, developed by our team, has been successfully integrated into several international mechanisms.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Enseignement supérieur

Université de Lille

104 Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement

Le/la candidat(e) devra être titulaire d'un Master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en chimie ou en physico-chimie. Un goût prononcé pour le travail expérimental est indispensable. Des connaissances solides en combustion et en cinétique chimique constitueront un atout. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique (écrit et oral) ainsi qu'une aptitude au travail en équipe dans un environnement collaboratif sont requises.
The candidate must hold a Master's degree or an engineering degree in chemistry or physical chemistry. A strong interest in experimental work is essential. Solid knowledge of combustion and chemical kinetics would be an asset. Good command of scientific English (written and spoken) and the ability to work in a team in a collaborative environment are required.