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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:
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Président:
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Mr. Z. NEMOUCHI
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Professeur
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UMC
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Examinateurs:
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Mr. N. HANNOUN
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Maître de Conférence
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USTHB-EMP
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Mr. R. MAHMOUD
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Maître de Conférence
|
EMP
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Mr. M. BALISTRO
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Maitre de Conférence
|
UMBB-EMP
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Rapporteur:
|
Mr. S. HANCHI
|
Professeur
|
EMP
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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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