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Investigation numérique et expérimentale d'une flamme de diffusion d'impact


par Nadjib GHITI
Ecole militaire Polytechnique - Magister en Aérodynamique et propulsion 2007
Dans la categorie: Sciences
   
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I.1 Introduction

La combustion est aujourd'hui un des principaux moyens de conversion de l'énergie. Elle est utilisée dans de nombreux systèmes, aussi bien pour produire de la chaleur (chaudières ou fours domestiques et industriels) ou de l'électricité (centrales thermiques), que pour le transport (moteurs automobiles et aéronautiques, moteurs fusées . . .) ou encore la destruction de déchets (incinérateurs). La combustion peut être définie comme étant une (ou des) réaction (s) irréversible (s) fortement exothermique (s) entre un combustible et un

comburant (ou oxydant), selon le schéma global suivant : [1]

Combustible + Comburant Produits de combustion + chaleur

Plus précisément, cette réaction induit un fort dégagement de chaleur dans une zone très mince (les épaisseurs typiques de flamme sont de l'ordre de 0.1 à 1 mm) conduisant à des gradients thermiques très élevés (le rapport des températures entre réactifs et produits de combustion est couramment de 6 à 8) et à de larges variations de la masse volumique. Le taux de réaction est raid et fortement non linéaire (loi d'Arrhenius). Les combustibles les plus divers (gazeux, liquides ou solides) peuvent être utilisés : bois, charbon, hydrocarbures méthane, butane, propane, essence, gasoil, kérosène, fioul, etc. hydrogène, et le comburant est généralement l'oxygène de l'air, plus exceptionnellement de l'oxygène pur

(moteurs-fusées, certains fours industriels) qui permet d'atteindre des températures plus élevées et d'éviter le stockage d'azote inerte (mais l'oxygène pure pose des problèmes de sécurité). Plus rarement, d'autres comburants sont utilisés (moteurs fusés pyrotechniques). Différents mécanismes de couplage interviennent en combustion. Les schémas cinétiques de la réaction chimique déterminent le taux de consommation du combustible, la formation de produits de combustion et la formation d'espèces polluantes. Ils interviennent aussi bien dans les processus d'allumage que dans ceux de stabilisation ou d'extinction des flammes. Les transferts de masse (par diffusion moléculaire ou transport convectif des différentes espèces chimiques) sont aussi des éléments importants des processus de combustion. Le dégagement d'énergie dû à la réaction chimique induit des transferts thermiques intenses par conduction, convection ou rayonnement, tant au sein de l'écoulement qu'avec son environnement (parois du brûleur, etc.). Cette énergie thermique est ensuite soit utilisée directement, soit convertie en énergie mécanique dans des turbines à gaz ou les moteurs à piston. Bien évidemment, la combustion requiert la description de l'écoulement (mécanique des fluides). Dans certains

systèmes, d'autres aspects sont à considérer. Deux (combustibles ou comburants liquides) ou trois (combustibles solides, particules) phases peuvent interagir. Des phénomènes tels que la formation de sprays, la vaporisation, la combustion de gouttes, etc. doivent alors être pris en compte. La formation de suies génère des particules de carbone qui seront ensuite transportées par l'écoulement. Deux situations génériques idéales, schématisées sur la figure (I-1), ont été identifiées, selon la procédure utilisée pour introduire les réactifs dans le foyer. Dans les flammes prémélangées, les réactifs, combustible et comburant, sont mélangés avant la zone de réaction. Au contraire, dans les flammes non-prémélangées ou de diffusion, les réactifs sont introduits séparément, de part et d'autre de la flamme et sont alors essentiellement entraînés l'un vers l'autre, par diffusion moléculaire. [1]

Figure I-1 : Flamme pré mélangée (a) et flamme de diffusion (b).

La combustion prémélangée est à priori plus efficace, puisque les réactifs sont déjà en contact avant la combustion. Mais, une telle flamme est susceptible de se propager dans le mélange combustible / oxydant jusqu'à l'endroit où s'effectue le mélange. Ceci entraîne des problèmes de sécurité. En revanche, si la flamme de diffusion requiert l'apport des réactifs à la zone de réaction par diffusion moléculaire, elle ne peut en aucun cas remonter l'écoulement et est donc plus sûre. Sa réalisation pratique est aussi plus simple puisqu'elle ne nécessite pas un mélange des réactifs dans des proportions bien définies ; c'est-à-dire dans les limites d'inflammabilité du combustible. Un brûleur non prémélangé est souvent simplement constitué, par exemple, d'un injecteur de combustible dans de l'air ambiant ou d'un ou

plusieurs groupes d'injecteurs de combustible et de comburant (moteurs-fusées, fours, etc). La combustion, intervenant généralement en milieu gazeux, quatre situations génériques,

résumées sur la figure (I-2), sont identifiables, selon que l'écoulement est laminaire ou turbulent et que les réactifs soient prémélangés ou non. En pratique, la combustion a le plus souvent lieu au sein d'écoulements turbulents où les transferts sont plus intenses qu'en écoulement laminaire. La principale difficulté réside alors dans l'interaction entre l'écoulement turbulent et le dégagement de chaleur qui met en jeu une large gamme d'échelles caractéristiques :

échelles spatiales et temporelles de la turbulence et des réactions chimiques. Les rapports de ces échelles dépendent d'ailleurs fortement des aspects étudiés. Ainsi, le temps caractéristique de l'oxydation du combustible est généralement court, comparé aux échelles des phénomènes turbulents. En revanche, la formation des espèces polluantes (oxydes d'azote en particulier) demande des temps caractéristiques sensiblement plus longs. [1]

Figure I-2 : Systèmes de combustion classés selon le type d'introduction des réactifs (prémélangés ou non) et la nature laminaire ou turbulente de l'écoulement.

L'objectif des recherches en combustion turbulente est principalement de mieux comprendre les phénomènes complexes qui entrent en jeu pour pouvoir les modéliser, car l'objectif final des recherches est de pouvoir calculer un système industriel complet au moindre coût, en effet, les coûts de développement d'un prototype, qu'il s'agisse d'un moteur automobile ou d'un réacteur d'aviation, sont extrêmement lourds. Ils pourraient être sensiblement réduits en optimisant par simulation numérique un foyer avant de construire un prototype aussi proche

que possible du produit final. Cette optimisation peut se faire selon différents critères suivant la destination finale du produit : rendement maximal, moindres émissions polluantes. Il s'agit aussi d'éviter ou de contrôler l'apparition d'instabilités de combustion (couplage entre hydrodynamique de l'écoulement, dégagement de chaleur et champ acoustique qui conduit à de fortes oscillations des caractéristiques du système, augmentant le bruits et les transferts de chaleur et pouvant conduire à une destruction rapide de l'installation).

A l'heure actuelle, si certaines tendances sont bien reproduites par les calculs, des simulations numériques vraiment prédictives sont encore loin d'être disponibles [1].

La flamme de diffusion est l'une des configurations de flamme les plus fondamentales dans la combustion. De nombreuses investigations ont déjà été effectuées pour comprendre les caractéristiques de la flamme. Le transfert thermique des flammes d'impact a été intensivement étudié du fait de ses applications pratiques dans le chauffage ou le séchage du matériel dans des processus industriels et domestiques. Cette méthode est de plus en plus employée dans des processus de chauffage au lieu des techniques radiantes dont le coût de chauffage est plus onéreux pour réduire la durée et les coûts des processus, tout en augmentant la qualité du produit. Elle a également l'avantage d'être une méthode rapide et localisée qui permet un contrôle du chauffage plus précis d'un secteur spécifique plus amélioré que les méthodes de chauffage radiantes.

Les différentes formes de la flamme sont analysées par Y. Zhang [2] et al, T. Foat et al [3]. Les premiers estiment qu'il y a cinq modes de bases pour la combustion des flammes de jet d'impact qui ont été identifiées expérimentalement. Ils ont utilisé un brûleur et une plaque refroidie par eau qui est placée directement au-dessus de la sortie du bec du brûleur. Bien que la configuration de l'écoulement soit très simple, la flamme est très sensible à la vitesse de sortie du jet et à la distance entre le jet et la plaque.

T. Foat et al [3] et Kostiuk et al [4] ont montré clairement les différentes formes de flammes. Même si c'est le même écoulement, les différentes formes de flammes peuvent être établies en lançant la flamme à différentes distances Fig. (I-3). Ces formes sont :

- flamme anneau,

- flamme conique,

- flamme disque,

- flamme enveloppe,

- flamme à faisceau central frais

Figure I-3 : Schéma définissant l'étirement de cinq types de jets d'impacts réactifs.

T. Foat et al [3] ont étudié les modèles et les structures turbulentes des flammes d'impact pré mélangées. Ces auteurs montrent qu'il y a quatre modes de flammes établis pour le jet avec les mêmes conditions d'écoulement. La création de chaque mode dépend de l'emplacement initial de l'allumage. L'établissement de la turbulence joue un rôle très important sur la paroi qui stabilise les flammes. Un appareil photo numérique à grande vitesse d'acquisition et un appareil photo couleur à grande vitesse d'obturation, ont été utilisés pour visualiser les modes observés de combustion. Ils ont observé qu'une structure cellulaire peut être induite par

l'utilisation d'un générateur de turbulence pour les flammes à richesse élevée. Cependant, cette structure disparaît si le jet est très riche en carburant. La visualisation indique également qu'un anneau de flammes est rarement apparu comme un anneau complet. Ils ont étudié aussi l'influence de la température de la plaque sur le régime de chaque mode (puisque le refroidissement de la paroi par eau modifie généralement les caractéristiques des modes de combustion des flammes d'impact stabilises par la plaque). Les caractéristiques de turbulence de jet ont un effet très intense sur les régimes de la plupart des modes de combustion. Huit différents modes de flamme ont été observés et visualisés par T. Foat et al [3] : un anneau enflé, un anneau, un disque, rattaché à la paroi, conique, une enveloppe, un faisceau central frais, et une flamme complexe. Les quatre premiers sont stabilisés sur la plaque. Les quatre autres sont attachés au jet. Ils ont trouvé qu'une flamme complexe peut seulement être formé à H/d=6 dans le cas de carburants riches. Quelques modes de combustion (flamme disque) sont plus stables que d'autres types de flamme (flamme détachée). L'absence de flamme dans la région d'arrêt est causée par 3 facteurs : le débit de l'écoulement, le champ de vitesse et la richesse Figure (I-4).

Figure I-4 : Type des flammes du jet d'impact. Les valeurs de ö haut au bas et de gauche à

droite sont 1.53, 0.98, 1.12, 1.55, 1.05 1.75, 1.40, et 1.64 et les valeurs des débits sont 5.53.10-3 à 6.03.10-3 kg/s.

L'étude effectue par O. B. Drennov [5] sur la structure d'un jet entrant en collision oblique à
haute vitesse sur des plaques minces, en métal, montre qu'une forme de jet dense est formée

dans le cas d'un impact oblique symétrique dans les conditions de l'expérience (les deux plaques impactant sont incliné par un certain angle). Il trouve qu'y a formation d'un jet dispersé.

Plusieurs travaux ont étudié les échanges thermiques dans les flammes à jet impactant. S.G. Tuttle et al [6], Bruno Léger et al. [7], Shuhn-Shyurng Hou et al [8] et Z. Zhao [9] ont trouvé que les plus grandes gammes de températures produisent la plus grande variation de flux de chaleur et que la distance entre jet et plaque, influe beaucoup sur la quantité d'énergie transférée. Ils ont constaté que la hauteur optimale du chauffage augmente avec l'augmentation de la concentration en méthane et de la vitesse d'injection. Ils ont noté que l'efficacité thermique maximale se produit lorsque la hauteur de chauffage est légèrement inférieure à la longueur de la flamme pré-mélangée. Cette caractéristique importante peut être appliquée à la conception des fourneaux à gaz de ville.

L.L. Dong et al. [10] ont étudié l'effet de l'espacement entre deux jets laminaires de flamme pré-mélange butane/air impactant verticalement sur une plaque horizontale. Ils ont trouvé que cette interférence devient significative quand l'espacement entre les jets et la distance jet- plaque sont petit. De même, le transfert thermique dans la zone d'interaction entre les jets est plus faible. D'autre part, l'interférence augmente le transfert thermique dans la zone d'interaction entre les jets quand le rapport distance sur diamètre est supérieur ou égal à 5. Le coefficient de transfert thermique augmente aussi. Ils ont conclue que le flux moyen de la chaleur de la plaque d'impact augmente de façon significative avec le rapport de la distance entre le jet et la plaque et le diamètre jusqu'à 6.

Pour l'étude de l'effet de dilution par l'azote dans une flamme d'impact, Ay Su [11] montre que le gaz non réactif pourrait diluer la concentration locale en carburant dans les processus de diffusion. Le gaz d'azote à l'avantage de permettre la visualisation du mécanisme d'impact des flammes avec différents carburants. Ainsi, la couleur de la flamme dans le plan de mélange devient bleue et transparente. La diminution de l'étirement de la couche limite, augmente le taux de mélange entre le gaz et l'oxydant. Ainsi, la longueur de la chambre de combustion sera réduite. Shuhn-Shyurng Hou et al [8] et L.K. Sze et al [12] ont étudié l'effet de la hauteur de chauffage sur les caractéristiques de la flamme. Ils ont montré que la structure de la flamme, la distribution et l'efficacité du transfert thermique sont considérablement influencées par la hauteur de chauffe. Si la hauteur de chauffage augmente, l'efficacité thermique augmente d'abord jusqu'à une valeur maximale et diminue ensuite. Donc, une hauteur optimale de chauffage est identifiée par la zone la plus large à hautes

températures et à efficacité thermique plus élevée, dans laquelle la flamme pré-mélangée interne et la flamme de diffusion externe est ouverte et divergente. En outre, ils ont constaté que la hauteur optimale de chauffage augmente avec l'augmentation de la concentration en méthane et avec la vitesse d'injection, donc pour une combustion riche. Cette caractéristique importante peut être appliquée à la conception des fourneaux de gaz de ville.

Xue et Aggarwal [13] ont étudié la flamme d'impact pré-mélangée de butane/air laminaire impactant verticalement vers le haut sur une plaque rectangulaire horizontale. Ils ont réalisé deux plaques construites l'une en acier inoxydable et l'autre en laiton. Le but étant d'étudier les effets combinés du nombre de Reynolds, de la richesse air/carburant, et de la distance entre la sortie du jet et la plaque (jet - plaque) sur les caractéristiques du transfert thermique du système de jet impactant. Ils ont montré que les différentes conductivités thermiques, émissivités et rugosité de surface de chaque matériau, influent sur le flux de la chaleur reçu par la plaque. Ils ont remarqué que la résistance au transfert thermique est plus élevée quand la conductivité thermique de l'acier inoxydable de la plaque d'impact est faible. Ceci mène à un flux de chaleur sensiblement réduit dans la région du point d'arrêt.

Une méthode simple d'épuration des gaz est étudiée théoriquement par Ivar S.A [14]. Cette méthode est basée sur des impulsions courtes à hautes fréquences. Ces impulsions permettent d'augmenter l'absorption d'énergie et la production de radicaux pour favoriser la transformation séquentielle des polluants toxiques (NOx, SO2 ,CxHy, etc.). L'effet de l'éthane et du propane sur le transport de la fraction massique du monoxyde d'azote par la décharge athermique de plasma à basse température (373 K) et à la pression atmosphérique, est également étudié. Le modèle qui a été étudié prend en compte la production des radicaux après chaque décharge, et le transfert des fractions massiques d'azote et HC par ces radicaux. L'analyse de l'écoulement des réactions montre les différences entre les caractéristiques des réactions pour les fraction massiques d'azote et HC en présence des alcanes et des alcènes non brûlés. Les résultats de leurs simulations numériques montrent une concordance avec les données obtenues par l'expérimentation. Leurs simulations démontrent que la fraction massique d'azote peut être très efficacement réduite quand le mélange contient de l'azote pur. Ainsi, dans les systèmes contenant de l'oxygène, le chemin principal pour éliminer la fraction massique de monoxyde d'azote est d'oxyder cette dernière en NO2.

I. Orlandini et al [15], T. Rutar et al [16] et Q. Tang et al [17] ont étudié l'influence du temps
de séjour, les effets de la pression et de la température d'admission sur la formation des
polluants NOx. Le couplage entre la formation des NOx et la zone de mélange est d'une

importance prémordiale pour la conception des chambres de combustion pré-mélangées des turbines à gaz. Mais les phénomènes mis en jeu ne sont pas compris complètement. Dans les recherches actuelles, ce problème est étudié dans les réacteurs à jets à haute pression et fonctionnant avec du méthane/air de pré-mélange. L'accroissement de la pression et de la température à l'admission tend à réduire les concentrations de NOx. King Tang [17] démontre que l'extinction locale devient visible.

La formation des NOx est concentrée dans la région où la combustion est en déséquilibre. La modélisation est également étudiée dans le cas unique de la combustion pré mélangée. Dans certaines réalisations, la haute pression mène à une quantité de NOx plus élevée, alors que dans d'autres, la fraction massique de NOx diminue avec la pression. Les mesures suggèrent qu'une partie de la complexité se produit parce que les paramètres externes changent la taille des zones où se forme le NOx.

H. Xue [13], S. Naha [18] ont étudié les caractéristiques de l'émission de NOx pour les flammes partiellement pré-mélangées « heptane/air » et « méthane/air ». Ils ont trouvé que dans la plupart des conditions, excepté celle du niveau le plus élevé des flammes partiellement prémélangées, le taux de formation de monoxyde d'azote dans la zone non pré-mélangée est sensiblement plus haut que celui dans la zone riche ou pré-mélangées. Dans la zone riche pré- mélangée (ritch premixed zone), l'apport de monoxyde d'azote thermique par rapport au NOx total est plus élevé que le « prompt NO ».Teodora Rutar [16] et Hongsheng Guo [19] ont étudié numériquement l'influence de la diffusion thermique sur la formation de suie dans les flammes de diffusion laminaire d'un écoulement à co-courant « éthylène/air ». Les résultats démontrent que la diffusion thermique affecte la formation de suie de la flamme de diffusion « éthylène/air ». Bien que la conséquence sur la formation de suie en flamme simple éthylène/air ne soit pas significative. L'influence est augmentée si des espèces plus légères, telles que l'hélium, sont ajoutées au carburant ou au jet d'air. Ils ont trouvé que la crête de la fraction volumique totale est doublée si la diffusion thermique n'est pas prise en considération dans la simulation de la flamme avec l'addition d'hélium au jet d'air. Le bruit généré par les flammes est étudié par J.M. Truffaut [20], Il remarque que le bruit est généré par des fluctuations temporelles du débit volumique de gaz produit par la flamme. Pour les flammes de chalumeaux, du type pré-mélange, le régime de combustion est celui des flammes plissées et le débit volumique est proportionnel à la surface de flamme. Donc, une variation temporelle de cette quantité entraîne une émission sonore. Cette émission est de causes multiples : la turbulence de l'écoulement, l'instabilité hydrodynamique, les instabilités d'accrochage, les

interactions entre fronts de flamme... Ainsi, bien que l'aspect purement acoustique de l'émission sonore par la combustion soit relativement bien compris, les phénomènes sous- jacents sont complexes et pour la plupart non entièrement résolus. D'après V. Faivre [21] les instabilités de combustion résultent d'un couplage entre le dégagement de chaleur d'une flamme et l'acoustique de la chambre de combustion. Ce phénomène peut engendrer de fortes vibrations, et une pollution sonore importante, (voire la destruction complète du brûleur). Aussi, de nombreuses études portent actuellement sur le contrôle de ces instabilités. La solution adoptée pour l'étude de V. Faivre [21] consiste à créer un dispositif de contrôle actif (ou actionneur) capable d'avoir un effet fort sur le mélange entre les jets de réactifs et le fluide ambiant. La configuration modèle étudiée consiste en un jet d'air (situation non réactive) contrôlé par quatre petits jets auxiliaires tangentiels. Différents essais expérimentaux ont conduit à l'optimisation de la géométrie des actionneurs. La configuration qui a été identifiée comme la plus efficace, en termes d'amélioration du mélange en sortie de jet, a fait l'objet de simulations numériques des grandes échelles (LES). L'objectif de la partie numérique du travail est double. D'une part, les différentes simulations réalisées permettent une meilleure compréhension des phénomènes complexes impliqués dans le contrôle. D'autre part, ils montrent que LES est un bon outil de prédiction des effets du contrôle des écoulements.

I.2 Objectifs de l'étude

Ce travail traite, par simulation numérique, l'aérodynamique d'un écoulement bidimensionnel turbulent d'une flamme de diffusion d'impact par le modèle K- Epsilon (RNG). Nous présentons, pour une configuration de jets opposés, l'influence de la variation des nombres de Reynolds à la sortie des deux jets ainsi que le taux de dilution du comburant par un gaz inerte, sur la structure de la flamme et sur la formation de polluants. Nous avons utilisé quatre taux de dilution (N2/C4H10) : 1/4,1/3,2/3 et 1.

Le présent travail comprend cinq chapitres ; le chapitre précédent décrit l'importance de l'étude de la combustion et notamment les flammes de diffusion et leur vaste utilisation industrielle et les mécanismes de réduction des polluants telles que le NO et le CO. Il est suivi d'une étude bibliographique des travaux effectués par d'autres auteurs, au cours des années précédentes.

Le chapitre II est concerne pour une recherche bibliographique sur les flammes de diffusion d'impact, leurs domaines d'utilisations, et leurs modes d'emplois,....

Le chapitre III est réservé aux formulations mathématiques, où, on expose les équations mathématiques régissant les phénomènes d'écoulements turbulents dans la configuration en question. Le modèle mathématique de turbulence utilisé est le modèle RNG-(k-å). Il est suivi par une présentation de la méthode prePdf et on termine par l'étude de l'effet du maillage. Le chapitre IV est réservé à la présentation de la chambre de combustion réalisée dans le Laboratoire de Mécanique des fluides (projet de PFE) [29]. La simulation numérique traitée par le logiciel « Fluent » et aussi présentée et discuté. La présentation du montage expérimental de la chambre de combustion suivie par un aperçu sur la caméra thermique se fait dans le cinquième chapitre on donne aussi des résultats expérimentaux trouvés à l'aide de la caméra thermique.

On termine ce travail par une conclusion générale, la contribution apportée à travers notre étude et les perspectives que nous comptons entamer.

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