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Simulation numérique d'une flamme turbulente prémélangée axysimétrique par le code fluent

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par CHERAD Ibrahim OUBADI Abdelghani
Oum El Bouaghi - Ingénieur d'état en génémécanique-énergétique 2009
  

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INTRODUCTION GENERALE

Le feu est l'un des premières sources d'énergie que l'être humain a utilisée dans sa vie quotidienne pour se réchauffer, pour cuire sa nourriture, dans les guerres...etc. Le développement industriel actuel est basé sur l'énergie produite en partie majeur par la combustion. Pour subvenir aux besoins de la société moderne, la demande mondiale en énergie ne cesse de croître, elle utilisa toutes les sources possibles à savoir le charbon, le pétrole, le gaz, le nucléaire, etc. (figure1).

Figure (1) : Evolution de la demande mondiale en énergie en mégatonnes équivalents pétrole de 1860 à 2004.

En plus du bienfait exothermique de la combustion, elle dégage d'autres émissions très nocives pour notre environnement, on peut citer les émissions les plus dangereuses pour l'être humain:

v' Le CO2 qui est un gaz toxique à effet de serre

v' Le CO, gaz qui se forme dans des conditions de manque d'oxygène, il peut se combiner rapidement avec l'hémoglobine sanguine et provoquer l'asphyxie et la mort dans quelques minutes

v' Les gaz NOx qui sont aussi toxiques et qui altèrent les bronchioles et provoquent des problèmes respiratoires

Donc le contexte contemporain de notre progrès est défini par deux éléments contradictoires

qui régissent nos sociétés.

v' D'une part le désir de confort se traduisant par l'accroissement de la demande mondiale en énergie, et de la consommation d'énergies fossiles par des procédés industriels : transports, manufacture, bâtiment, exploitation agricole, transformation d'énergie... Comme illustré sur la figure (1)

v' D'autre part le souci écologique : exprimé par la certitude d'un épuisement des ressources fossiles ainsi que la dégradation irréversible des écosystèmes par la pollution. En témoignent la figure (2)

Figure (2) Emission de CO2 équivalent à demande de l'énergie mondiale

Certains pays, les signataires du protocole de Kyoto, ont décidé de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Ces pays ne devraient pas augmenter leur consommation de charbon, mais plutôt la réduire pour limiter leurs émissions de CO2. Pour les autres, en raison du renchérissement du prix du pétrole, il est probable que le charbon deviendra une source d'énergie meilleure marchée, dans laquelle ils vont puiser encore davantage. La part du charbon dans la consommation d'énergie primaire (un tiers) devrait rester stable pendant encore une ou deux dizaines d'années, puis aller en s'accroissant. Certains problèmes de pollution liée au charbon peuvent être résolus en traitant les fumées de combustion, mais il reste toujours le difficile problème du CO2.

Peut-on remplacer la combustion ?

Pour éviter les problèmes de pollution, les ingénieurs ont développés des nouvelles technologies pour la production d'énergie renouvelable est non polluantes. On peut citer par exemple l'énergie solaire et l'éolien.

1) L'énergie solaire

L'énergie solaire est transmise á la terre á travers l'espace sous forme de particules d'énergie, des photons et de rayonnement. Elle est captée et transformée en chaleur ou en électricité grâce á des capteurs adaptés. Le soleil produit ainsi une énergie inépuisable et naturellement disponible en quantité. L'énergie solaire reçue chaque année sur la terre équivaut á plus de 20 fois nos besoins énergétiques. Elle est disponible partout, il suffit simplement de la capter pour bénéficier d'une énergie gratuite et écologique.

Les inconvénients essentiels de cette source d'énergie sont :

ü Le coût initial de l'installation d'un système d'énergie solaire fabriquée en grande partie de matières semi-conductrices très chères ainsi que les accumulateurs et régulateurs. Cela fait que le coût de l'électricité d'origine solaire est plus haut comparé á l'électricité non renouvelable.

ü Les panneaux solaires exigent un grand espace pour réaliser des installations efficaces.

ü La production de l'énergie solaire est intermittente, elle est aussi influencée par la présence des nuages ou de la pollution dans le ciel.

2) L'énergie éolienne

L'énergie éolienne (du mot grec Eole, le Dieu du vent) est l'énergie produite par le vent. Cette énergie mécanique est exploitée par des éoliennes, hélices installées au sommet de pylônes et qui tournent sous l'action du vent. La rotation des hélices actionne un système produisant de l'électricité. C'est une énergie cinétique du vent qui est durable et propre, en plus les éoliennes ne nécessitent que cette énergie (le vent), et uniquement cette énergie. Une éolienne n'a besoin que de très peu de places, ce qui n'engendre qu'une perte d'environ 2% du sol agricole sur les exploitations où des parcs éoliens ont été installés. La surface restante étant disponible pour une exploitation agricole ou d'élevage. La simplicité des éoliennes permet aux particuliers de participer directement á la conservation de notre environnement via l'installation de dispositifs personnels.

Concernant les inconvénients des éoliennes, on peut dire que

v' L'énergie produite par les éoliennes est intermittente et nécessite donc souvent l'utilisation

de centrales thermiques (qui tournent au ralenti) afin de réguler les variations imprévisibles de la production éolienne. Toutefois, plus le nombre d'éolienne est grand, et moins les perturbations naturelles influent sur la production d'électricité (cas des très grands parcs éoliens) : l'énergie produite est donc plus régulière.

v' L'énergie éolienne est considérée comme une énergie d'appoint car la construction de

centrales thermiques tournant au ralenti coûte cher.

v' Les riverains se plaignent de la destruction visuelle de leur paysage (exemple notable en

Bretagne).

v' Enfin, l'éolienne est dépendante de la météo, et dépendante de sa topographique (on ne

peut pas installer une éolienne sur n'importe quel terrain).

On peut dire que le pétrole et le gaz naturel restent les combustibles par excellence. L'alternative est non pas l'utilisation massive imminente du solaire ou de l'éolienne mais l'amélioration et le contrôle des émissions nocives issues de la combustion. Parmi les techniques utilisées dans le contrôle des émissions, la combustion pauvre qui consiste à brûler moins de combustible avec plus d'air. Ce mode de combustion vise d'une part à réduire les émissions en CO2 car on brûle moins de combustible et d'autre part à réduire la température de la combustion qui inhibe la formation des NOx.

Motivation du présent travail

L'énergie électrique en Algérie est produite à 80% par les turbines à gaz, ces dernières brûlent le gaz naturel composé en majorité du méthane. L'Algérie est l'un des premiers pays qui ont ratifiés le protocole de Kyoto, d'où vient la nécessité de ce travail.

Ce travail s'inscrit dans la simulation des écoulements réactifs turbulents, en particulier l'étude numérique des flammes turbulente (prémélangées). Les bases expérimentales de ce travail sont les mesures réalisées par LACHAUX T. [1]et HALTER F.[2] à l'ICARE (Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement) du CNRS d'Orléans en France.

Objectif du travail

Ce travail constitue une suite logique aux travaux numériques des années précédentes, HAFID M.[3], GHOUGAL A. et TRAD DJ. [4], TOUT M. et IKEN A. [5], ou on a considéré l'injection de l'air dans les chambres de combustions puis on a amélioré le modèle de turbulence k-å par la correction de POPE et on a aussi étudiée différents aspects des mélanges non réactifs de différentes espèces dans une chambre de combustion. Le

présent travail va considérer la combustion turbulente par un modèle assez simple (EDM Eddy Dissipation Model) dans une chambre de combustion similaire à celle des turbines à gaz. On va simuler la combustion pauvre pour les richesses 0.6, 0.7 et 0.8.

Le mémoire est réparti sur quatre chapitres débuté par la présente introduction. Le premier chapitre comprend la formulation mathématique du phénomène, il détaille surtout les équations de conservation pour les espèces chimiques. On a aussi démontré le calcul du taux de réaction pour une réaction globale a un pas et pour un mécanisme réactionnel détaillé. Le deuxième chapitre est consacré au phénomène de la turbulence, différentes approches de modélisations ont été évoquées et enfin un listing des différents modèles à été fait. Dans le troisième chapitre, on a étudié les différentes échelles des flammes laminaires et de la turbulence, l'interaction entre ces échelles donne le diagramme de combustion turbulente qui nous a permis de choisir le modèle de la combustion turbulente. Finalement, on a introduit le modèle EDM ainsi que son intégration dans le code FLUENT. Dans le dernier chapitre, on a exposé la chambre de combustion, sa modélisation ainsi que les résultats des calculs par le code FLUENT.

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