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

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par Nadjib GHITI
Ecole militaire Polytechnique - Magister en Aérodynamique et propulsion 2007
  

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ECOLE MILITAIRE POLYTECHNIQUE

MEMOIRE
Présenté pour l'obtention du diplôme de Magister
Filière:

DYNAMIQUE DES FLUIDES ET ENERGETIQUE
Option:

AERODYNAMIQUE ET PROPULSION

Par: GHITI Nadjib
Ingénieur d'Etat en Génie Mécanique

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

Soutenue publiquement le 23 / 01 / 2007 devant le Jury composé de:

Président:

Mr. Z. NEMOUCHI

Professeur

UMC

Examinateurs:

 
 
 
 

Mr. N. HANNOUN

Maître de Conférence

USTHB-EMP

 

Mr. R. MAHMOUD

Maître de Conférence

EMP

 

Mr. M. BALISTRO

Maitre de Conférence

UMBB-EMP

Rapporteur:

Mr. S. HANCHI

Professeur

EMP

Chapitre I Recherche bibliographique

I 1 Introduction 01

I-2 Objectif de l'étude 10

Chapitre II Flammes d'impact

II-1 Introduction . 12

II-2 Flamme d'impact 12

II- 3 Configurations 13

II-3-1 Flamme normale à un cylindre transversal à 'écoulement 13

II-3-2 Flamme normale à un cylindre hémisphérique 14

II-3-3 Flamme normale sur une surface plan 14

II-4 Conditions influençant le fonctionnement . 15

II-4-1 Oxydant 15

II-4-2 Carburants .. 16

II-4-3 Richesse ... 16

II-4-4 Injection 16

II-4-5 Point d'arrêt 17

II-4-6 L'effet de la quantité de mouvement 17

II-4-7 luminosité de la flamme . 17

II-4-7-1 Effets de la forme de la flamme sur le transfert thermique 18

II-4-7-2 Effets de l oxydant 18

II-3-7-3 Composition de l'oxydant 18

II-4-7-4 Orientations des jets . 19

II-5 Mécanisme de la combustion du C4H10 . 19

II-6 Mécanismes conduisant, en phase gazeuse, à l'émission des NOx 20

II-6-1 Mécanisme de formation de NO2 21

II-6-2 Formation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés 22

Chapitre III Formulation mathématique

III-1 Introduction . 23

III-2 Equations régissantes .. 23

III-2-1 Equation de continuité 23

III-2-2 Equation de quantité de mouvement 23

III-3 Décomposition statistique 23

III-4 Règles de Reynolds 24

III-5 Equations aux tensions de Reynolds 24

III-5-1 Concept de Boussinesq 25

III-6 Modèle k-å RNG .. 25

III-7 Approche non pré-mélangée 30

III-7-1 Fraction de mélange 30

III-7-2 Équations de transport pour la fraction de mélange 30

III-7-3 Fraction de mélange, Rapport d'équivalence 31

III-7-4 Relation de f avec les fractions massiques d'espèces, la densité et

la température 32

III-7-5 Prolongements non-adiabatiques du modèle non-pré-mélangé 32

III-8 Schémas de discrétisation 34

III-9 Effet du maillage 35

Chapitre IV Simulation Numérique

IV-1 Géométrie de la chambre de combustion et maillage 38

IV-1.2 Contours de la vitesse résultant et de l'intensité de turbulence 40

IV-I-3. Contours de la fraction massique de OH et C4H10 ... 42

IV-I-4. Contours de la fraction massique NO et de la température statique 45

IV-I-5 Conclusion 48

IV-II-1. Contours de la vitesse résultat et de l'intensité turbulente 51

IV-II-2. Contours de la fraction massique OH et C4H10 53

IV-II-3- Contours de la fraction massique NO et de la température statique 55

IV-II-4 Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets à X=0m 59

IV-II-5 Conclusion 60

IV-III-1 Contour de la température statique... 62

IV-III-2 Contour de l'intensité de turbulence... 63

IV-III-3 Contour de la concentration en butane... 64

IV-III-4 Contours du monoxyde de carbone et de la fraction massique de

polluant NO 65

Chapitre V Etude expérimentale

V-1 Montage expérimental 67

La table 67

La glissière .. 67

Le coulisseau de glissière 68

Les supports 68

L'injecteur 70

V-2 Conditions expérimentales 70

V-3 Bases de la thermographie 72

V-3-1 Etalonnage de l'écoulement dans les deux jets . 71

V-3-2 Positionnement du problème . . 71

V-4 Appareillage et procédure expérimentale 72

V-4-1 Méthodes de mesures . 72

V-4-2 Pression compresseur fixée à 2 bars 72

V-4-3 Pression compresseur fixée à 1 bars 74

V-4-4 Calcul d'erreurs 75

V--4-4-1 Erreur due aux indéterminations intrinsèques des caractéristiques

instrumentales 75

V-4-4-2 Erreur de lecture 76

V Résultats expérimentaux 79

V-5-1 Distribution de l'intensité turbulente sur l'axe de la flamme 82

V-5-2 Distribution de la température dans le cas des jets d'impacts . 89

Conclusion et recommandations 91

xi cordonné suivant i.

mj masse de l'espèce j (kg).

xj coordonnée suivant j.

Cp chaleur spécifique (kJ/kg.k)

t temps (s)

f fraction de mélange

Zi fraction de l'espèce i.

Zi,car fraction de carburant. å

Zi,ox fraction de l'oxydant

P pression (Pa)

D diamètre des jets (mm)

Re nombre de Reynolds

Ui (i=1,2,3) vitesse instantanée, (m/s)

Ui (i=1,2,3) vitesse moyenne, (m/s)

u 'i(i= 1,2,3) vitesse de fluctuation, (m/s)

P Pression, (N /m2 )

p' fluctuation de pression, (N/m2)

k énergie cinétique de turbulence , (m2/s2)

u i u j tensions de Reynolds, (m2/s2)

' '

L échelle de longueur des grosses structures de turbulence, (m)

yp,xk distances des noeuds proches de la paroi

Pk taux de dissipation de l'énergie cinétique de turbulence

Sij tenseur de déformation

S norme du tenseur Sij

ij,k,l,m,n indication des composantes

Cu, Cå1 , Cå2 , Cå3 constantes du modèle standard et du modèle RNG k- å ö richesse

Symboles Grecs :

å taux de dissipation de la turbulence, (m2/s3)

u viscosité dynamique, (kg/ms)

í viscosité cinématique, (m2/s)

ñ masse volumique (kg/m3)

ut viscosité dynamique turbulente (kg/ms)

ít viscosité cinématique turbulente (m2/s)

Cu, å1,å2, constantes du modèle de turbulence

ók nombre de Prandtl associé à l'énergie cinétique de turbulence

óå nombre de Prandtl associé au taux de dissipation

äij symbole de Kronecker

constante du vortex libre

ôp contrainte à la paroi

â constante du modèle RNG k- å

ç0 constante du modèle RNG k- å.

Listes des figures :

Figure I-1 : Flamme pré mélangée (a) et flamme de diffusion (b)...... 02

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........ 03

Figure I-3 : Schéma définissant l'étirement de cinq types de jet d'impacts réactifs....... 05

Figure I-4 : Types des flammes de jet impact. Les valeurs de ö haut au bas et de gauche à droite

06

sont1.53, 0.98, 1.12, 1.55, 1.05 1.75, 1.40, et 1.64 et les valeurs de débit sont 5.53.10-3 to 6.03.10-3 kg/s

Figure II-1 : Flamme impactant normal à une paroi refroidie.......... 13

Figure II-2 : Flamme impactant normale sur à un cylindre transversal au sens de l'écoulement.... 13

Fig.II-3 : Flamme impactant normale sur à un calot cylindrique transversal au sens de l'écoulement.......

14

Fig. II-4 : pair de jets radiaux d'une flamme réattaché.......... 14

Figure II-5: Flammes d'impact (a) parallèle, (b) obliques à une surface plane......... 15

Fig.II-6 : brûleur pour la combustion prémélangé.......... 16

Fig.II-7 : brûleur pour la combustion partiellement non prémélange. ...... 17

Fig.II-8 : brûleur pour la combustion non prémélange. ...... 17

Fig.2-11 : Exemple d'une flamme à haute luminosité (d'après les résultats expérimentaux d'une

flamme de diffusion butane/air- EMP-2006) ....... 18
Fig.2-12 : Exemple d'une flamme à faible luminosité (d'après les résultats expérimentaux d'une

flamme de diffusion butane/air- EMP-2006) ....... 18

Figure III-1 : Différentes régions dans une couche limite sur une paroi plane......... 28

Schéma III-2 : Organigramme du calcul par la méthode PrePDF. (öi a f, ' 2

f, *

H variables

du calcul)....... 34

Figure (III-3) Maillage Quadri-map......... 35

Figure (III-4) Effets du maillage sur les résultas...... 36

Figure IV-1 : Conditions aux limites du domaine ...... 38

Figure-(IV-2): contours de la résultants des vitesses (m/s) pour un nombre de Reynolds du butane variable.......... 41
Figure-(IV-I-3): contours de l'intensité de turbulence (%) pour un nombre de Reynolds du butane

variable.......... 42
Figure-(IV-I-4): contours de la fraction massique OH pour un nombre de Reynolds du butane

variable.......... 43
Figure-(IV-I-5): contours de la fraction massique C4H10 pour un nombre de Reynolds du

butane variable.......... 44
Figure-(IV-I-6): contours de la fraction massique NO pour un nombre de Reynolds du butane

variable.......... 45
Figure-(IV-I-7): contours de la température statique pour un nombre de Reynolds du butane

variable.......... 46

Figure-(IV-I-8): Variation de la température en fonction du nombre de Reynolds du butane...... 47

Figure-(IV-I-9): Intensité de turbulence pour un Re C4H10 variable sur l'axe entre les jets...... 47

Figure-(IV-I-10): Fraction massiques de C4H10 pour un Re C4H10 variable sur l'axe entre les jets... 47

Figure-(IV-I-11): Fraction massiques de CO pour un Re C4H10 variable sur l'axe entre les jets...... 47

Figure-(IV-I-12): Fraction massiques de NO pour un Re C4H10 variable sur l'axe entre les jets 48

Figure-(IV-II-1): contours de la résultants des vitesses (m/s) pour un nombre de Reynolds

d'air variable......... 52
Figure-(IV-2): contours de l'intensité de turbulence (%) pour un nombre de Reynolds d'air

variable............. 53
Figure-(IV-II-3): contours de la fraction massique OH pour un nombre de Reynolds d'ai

variable.......... 54

Figure-(IV-II-4): contours de la fraction massique C4H10 pour un nombre de Reynolds

d'air variable......... 55

Figure-(IV-II-5): contours de la fraction massique NO pour un nombre de Reynolds d'air........ 56

Figure-(IV-II-6): contours de la température statique pour un nombre de Reynolds

d'air variable......... 57

Figure-(IV-II-7): augmentation de la température en fonction du nombre de Reynolds du jet d'air.........

58

Figure-(IV-II-8): Intensité de turbulence pour un Re\-(air) variable sur l'axe entre les jets........ 58

Figure-(IV-II-9): Fraction massique du C\-(4)H\-(10) suivant y......... 58

Figure-(IV-II-10): Fraction massique du CO suivant y........... 58

Figure-(IV-II-11): Fraction massique du NO suivant y.......... 59

Figure-(IV-II-12): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets....... 59

Figure(IV-II-13): Fractions massiques sur l'axe centrale entre les deux jets....... 59

Figure(IV-II-14): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 59

Figure(IV-II-15): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 59

Figure(IV-II-16): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 60

Figure(IV-II-17): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 60

Figure(IV-II-18): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 60

Figure(IV-II-19): Fractions massiques sur l'axe entre les deux jets........ 60

Figure (IV-III-1) température statique en fonction de différent taux de dilution.......... 62

Figure (IV-III-2) Intensité de turbulence pour différent taux de dilution.......... 63

Figure (IV-III-3) Concentration du butane pour différent taux de dilution.......... 64

Figure (IV-III-4) Concentration du NO pour différent taux de dilution......... 65

Figure.V-1 : Table et glissière............ 67

Figure.V-2 :glissière.......... 68

Figure.V-3 Coulisseau ......... 68

Figure.V-4 : Supports de la glissière 68

Figure.V-5 : Deux types d'injecteurs 69

Figure.V-6 : Vue d'ensemble 69

Figure.V-7: Vue d'ensemble du bac d'essai Les dessins de définition de toutes les pièces.Figure. .... 70

V-8a : schéma de travail du caméra thermique.......... 71

Figure. V-8b : schéma simplifié du dispositif....... 71

Figure. V-9 : Vitesse en fonction de l'angle de rotation à Pc=2bars....... 73

Figure. V-10 : Vitesse moyenne en fonction de l'angle de rotation.......... 73

Figure.V-11 : La vitesse en fonction de l'angle de rotation à Pc=1bar......... 74

Figure V-12 : Débits en fonction des différentes ouvertures à Pc=1bar........... 74

Figure (V-13) : Variation temporel de l'écoulement diffusif des deux jets d'impacts: l'intervalle de temps entre deux figures successifs est 0.002 seconds ReC4H10=2251,

Reair=214. (T1 à T9)........ 79

Figure (V-14) : Front de flamme.......... 80

Figure (V-15) : Cas de deux tourbillons (a) sens opposés, (b) même sens...... 80

Figure (V-16) : Mélange de deux tourbillons....... 81

Figure (V-17) : Mécanisme de combustion dans une flamme de diffusion.......... 82

Figure V-19: tracées de la température en fonction du temps....... 84

Figure(V-20): Intensité turbulente des fluctuations de température le long de l'axe entre les deux jets.. 84

Figure(V-21): Intensité turbulente estimé par les fluctuations du température.......... 85

Figure(V-22): Intensité turbulente du fluctuations detempérature sur l'axe entre les deux jets....... 85

Figure(V-23): Intensité turbulente de la température........... 85

Figure(V-24) Intensité de turbulence le longueur de l'axe de la flamme.......... 86

Figure(V-25) Intensité de turbulence le long de l'axe de la flamme.......... 86

Figure(V-26) Intensité de turbulence le long de l'axe de la flamme.......... 86

Figure (V-27) Intensité de turbulence le long de l'axe de la flamme......... 87

Figure(V-28) Intensité de turbulence le long de l'axe de la flamme.......... 87

Figure(V-29) Intensité de turbulence le long de l'axe de la flamme.......... 88

Figure(V-30) Distribution de la température pour deux jets impacts....... 89

Figure(V-31) Distribution de la température pour deux jets impacts....... 89

Figure(V-32) Distribution de la température pour deux jets impacts (K)........ 89

Figure(V-33) Distribution de la température pour deux jets impacts (K)........ 89

Figure(V-34) Distribution de la température pour deux jet impactants (K)........ 90

Figure(V-35) Distribution de la température pour un jet réactive ejecte dans de l'air libre....... 90

Remerciements

Ce travail a été effectué au sein du laboratoire de Mécanique des Fluides de l'UER Mécanique Appliquée de l'Ecole Militaire Polytechnique sous la direction du Lieutenant colonel S. HANCHI Professeur à l'EMP qu'il trouve ici ma profonde reconnaissance pour son soutient, et à sa gentillesse avec ses nombreuses idées qui ont été un enrichissement incroyable, et pas seulement scientifique. Ce travail a donc été un réel plaisir grâce à lui.

Mes vifs remerciements vont à M. le Professeur Z. NEMOUCHI qui m'a fait l'honneur d'accepter la présidence du jury. Je tiens à remercier M. N. HANNOUN, S. MAHMOUD et M. BALISTRO pour avoir accepté de faire partie du jury et d'avoir consacré un peut de leurs précieux temps à la lecture de ce mémoire.

Mes profondes remerciements s'adressent également à M Mekadem Mahmoud pour son aide et aussi sa gentillesse je souhaite a lui du bonheur. Sans oublier les autres membres du laboratoire.

Je tiens particulièrement à exprimer ma reconnaissance à M. K. NECIB chef de l'UER Mécanique Appliquée, pour sa sympathie et ses perpétuels encouragements je félicite aussi.

J'adresse aussi mes remerciements au Colonel YOUSNADJ, directeur de la recherche et de la formation post graduée pour l'effort et l'intérêt qu'il porte au développement de la recherche scientifique.

DIDICACES

A la mémoire de mon père Hassnaoui

À ma mère Yamouna, qui m'ont toujours soutenu

A mes frères Nabil, Driss, Amir et mes soeurs

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