Contribution à l'étude de la structure des flammes turbulentes de

Download Contribution à l'étude de la structure des flammes turbulentes de

Post on 05-Jan-2017

215 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p>HAL Id: tel-00010987https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010987</p><p>Submitted on 15 Nov 2005</p><p>HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.</p><p>Larchive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine au dpt et la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publis ou non,manant des tablissements denseignement et derecherche franais ou trangers, des laboratoirespublics ou privs.</p><p>Contribution ltude de la structure des flammesturbulentes de prmlanges pauvres de mthane-air</p><p>David Pav</p><p>To cite this version:David Pav. Contribution ltude de la structure des flammes turbulentes de prmlanges pauvresde mthane-air. Energie lectrique. Universit dOrlans, 2002. Franais. </p><p>https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010987https://hal.archives-ouvertes.fr</p></li><li><p> UNIVERSIT D'ORLANS </p><p>THSE </p><p>prsente l'universit d'Orlans </p><p>pour obtenir le grade de </p><p>DOCTEUR DE L'UNIVERSIT D'ORLANS </p><p>discipline : Mcanique - nergtique </p><p>par </p><p>David PAV </p><p>Contribution l'tude de la structure des flammes turbulentes de prmlanges pauvres de mthane-air </p><p>soutenue le 31 octobre 2002 devant le jury compos de : C. de IZARRA Prsident du jury / Reprsentant de lcole doctorale / Professeur, universit dOrlans D. VEYNANTE Rapporteur / Directeur de recherche, CNRS-EM2C Chtenay-Malabry A. BOUKHALFA Rapporteur / Professeur, INSA de RouenR.S. CANT Examinateur / Professeur, universit de Cambridge, Grande-Bretagne V. SABELNIKOV Examinateur / Ingnieur de recherche ONERA Palaiseau I. GKALP Directeur de thse / Directeur de recherche, CNRS-LCSR Orlans </p></li><li><p> Verum, ut opinor, itast : sunt quaedam corpora, quorum concursus motus ordo positura figurae efficiunt ignis mutatoque ordine mutant naturam neque sunt igni simulata neque ulli praeterea rei quae corpora mittere possit sensibus et nostros adiectu tangere tactus. [] Hoc etiam magis haec animum te advertere par est corpora quae in solis radiis turbare videntur, quod tales turbae motus quoque materiai significant clandestinos caecosque subesse. Multa videbis enim plagis ibi percita caecis commutare viam retroque repulsa reverti nunc huc nunc illuc in cunctas undique partis. Scilicet hic a principiis est omnibus error. Prima moventur enim per se primordia rerum, inde ea quae parvo sunt corpora conciliatu et quasi proxima sunt ad viris principiorum, ictibus illorum caecis inpulsa cientur, ipsaque porro paulo maiora lacessunt. Sic a principiis ascendit motus et exit paulatim nostros ad sensus, ut moveantur illa quoque, in solis quae lumine cernere quimus nec quibus id faciant plagis apparet aperte. </p><p>De Natura Rerum, Titus Lucretius Carus. </p><p> Voici ma thse : il existe certains corps dont les rencontres, les mouvements, lordre, la position, les figures produisent le feu et dont les diffrentes combinaisons engendrent la diversit des choses ; mais ils ne ressemblent ni au feu, ni aucun autre corps capable de frapper nos sens par ses manations et daffecter par son contact notre toucher. [] Une autre raison dobserver attentivement les corpuscules qui sagitent en dsordre dans un rayon de soleil, cest quune telle agitation nous rvle les mouvements invisibles auxquels sont entrans les lments de la matire. Car souvent tu verras beaucoup de ces poussires, sous limpulsion sans doute de chocs imperceptibles, changer de direction, rebrousser chemin, tantt droite, tantt gauche et dans tous les sens. Or, leur mobilit tient videmment celle de leurs principes. Les atomes, en effet, se meuvent les premiers par eux-mmes ; cest ensuite au tour des plus petits corps composs : les plus proches des atomes par leur force ; sous leurs chocs invisibles ils sbranlent, se mettent en marche et eux-mmes en viennent dplacer des corps plus importants. Cest ainsi que part des atomes le mouvement, qui slve toujours et parvient peu peu nos sens, pour parvenir enfin la poussire que nous apercevons dans les rayons du soleil, alors mme que les chocs qui la mettent en mouvement nous demeurent invisibles. </p><p> De la nature, Lucrce (98-55 av. J.C.) </p></li><li><p>Avant-propos </p><p> Cette thse a t ralise au Laboratoire de Combustion et Systmes Ractifs du CNRS </p><p>dOrlans dans lquipe Combustion et Turbulence. </p><p> Je remercie donc monsieur Michel Cathonnet, directeur du laboratoire, de my avoir accueilli. </p><p> Je tiens exprimer toute ma reconnaissance monsieur Iskender Gkalp, responsable de </p><p>lquipe Combustion et Turbulence, de mavoir accueilli dans son quipe. Je le remercie de la </p><p>confiance quil ma tmoigne tout au long de ce travail et des moyens quil a mis ma </p><p>disposition pour mener bien ce travail. </p><p> Je remercie monsieur Charles de Izarra davoir accepter de prsider mon jury de thse. Je </p><p>remercie galement messieurs Abdelkrim Boukhalfa et Denis Veynante de mavoir fait lhonneur </p><p>dexaminer ce mmoire en tant que rapporteurs et davoir pris de leur temps pour une tude </p><p>critique de mon travail. Ma gratitude va aussi monsieur Vladimir Sabelnikov et monsieur </p><p>Stewart Cant nonobstant les intempries climatiques qui ont bien voulu juger mon travail et </p><p>participer mon jury de thse. </p><p> Je suis trs reconnaissant Christian Chauveau pour tre toujours disponible malgr la quantit </p><p>de travail qui loccupe. Son aide et ses conseils aussi bien informatiques que techniques restent </p><p>essentiels. </p><p> Je ne veux pas oublier Laurent Gagnepain, mon prdcesseur, qui ma accueilli dans le </p><p>laboratoire et ma initi la flamme de bec Bunsen et la diffusion Rayleigh. </p><p> Je remercie profondment monsieur Ian Shepherd du laboratoire de Berkeley, universit de </p><p>Californie, qui ma accueilli si gentiment dans son laboratoire. Je le remercie pour la grande aide </p><p>quil ma apporte dans le traitement des donnes. </p><p> Je remercie galement Brahim Sarh pour son accueil, nos discussions et pour mavoir aider </p><p>remonter le diagnostic Rayleigh dans les premiers mois de ma thse. </p><p> Je suis trs reconnaissant Christine Mounam-Rousselle, Fabrice Foucher et Olivier Pajot du </p><p>Laboratoire de Mcanique et nergtique de mavoir accueilli et mavoir aid mettre en place le </p><p>diagnostic dimagerie Rayleigh. </p><p> Je donne pareillement ma gratitude Dmitri Davidenko pour mavoir aid dans les calculs </p><p>numriques des paisseurs de flamme et de dissipation scalaire. </p><p> Je remercie Claude Fougre pour son aide dans ma recherche bibliographique et pour sa </p><p>gentillesse ainsi que le personnel technique du laboratoire : Jacques Sabatier, Henri Peyroux, </p></li><li><p>Fabrice Peyroux, Alain Aymard, Michel Roblain qui mont permis de mener bien mon travail </p><p>des degrs divers. </p><p> Je noublie pas le personnel administratif, Denise de Plinval, Rene Herbin, Jeannine Clinard et </p><p>Bernadette Trifigny qui, par leur affabilit, ont rendu mon sjour au LCSR trs agrable. Un </p><p>merci particulier Murielle Chevrier. </p><p> Aux anciens thsards, Yanick pour sa passion pour Jean-Luc Godard, Isabelle pour ses gteaux </p><p>casse-dents, Jol que la duchesse de La Vallire remercie, lvanescente sainte Radegonde nest </p><p>pas le maillon faible, Bouaza alias Aziz pour ses conseils aviss, Benjamin pour son calme et sa </p><p>patience, Brangre, ma collgue de bureau, pour sa patience, Nicolas pour ses discussions </p><p>savantes, Galle pour la ligne Ka et la recherche de Vibration, Sandra pour ses questions </p><p>Apricube. </p><p> Aux thsards actuels, futurs docteurs, Olivier pour sa persvrance vouloir me faire faire du </p><p>foot, Nabil pour mavoir fait dcouvrir la conduite dune pave, Emmanuel pour le travail quil </p><p>ma fait, Thierry pour sa dtermination qui, je pense, va payer, Ccile pour son sens inn de </p><p>lorganisation, Fabien qui ne doit pas trop sinquiter (merci pour les gteaux), Valrie qui doit </p><p>continuer ses dictons du jour, Sbastien qui va y arriver et Frdric quand mme aussi. </p><p> Aux futurs thsards, Romain, le Bourguignon qui ne devrait pas se moquer des Vosgiens, </p><p>Pablo, un compre grand connaisseur de la Nature (merci pour le film). </p><p>Aux stagiaires que jai rencontrs, Isabel, Muriel, Franois, Sergio, Miguel, Andr, Mehdi </p></li><li><p>Introduction gnrale 1 </p><p>Introduction gnrale </p><p>Les flammes turbulentes de prmlange prsentent un sujet dintrt important pour la </p><p>recherche aussi bien du point de vue fondamental que pratique. Elles se rencontrent, en effet, </p><p>dans plusieurs applications technologiques telles que les moteurs allumage command, les </p><p>foyers de turboracteurs, les turbines gaz. Dans le domaine des risques technologiques pour </p><p>prvenir les explosions accidentelles, une connaissance des conditions dinflammabilit et </p><p>dallumage et des mcanismes de leur propagation est indispensable. La rduction des </p><p>effluents gazeux polluants est un autre intrt de ltude de ce type de flamme. Diverses </p><p>tudes sont menes pour dtruire ces effluents gazeux telles que des travaux sur les dcharges </p><p> barrires dilectriques ([Hibert et al., 1999], [Pav et al., 1998], [Gaurand et al., 1998]) </p><p>mais il est indispensable de rduire cette pollution en amont. La production doxydes dazote </p><p>dans les flammes est favorise sous haute temprature. Lutilisation du prmlange et dune </p><p>richesse faible de la flamme conduit une baisse sensible de la temprature et donc une </p><p>rduction de la production doxydes dazote. </p><p>Cependant les flammes pauvres sont plus sensibles aux gradients de vitesse locaux et </p><p>ont tendance steindre plus facilement que les flammes stchiomtriques. Plusieurs </p><p>travaux montrant cette tendance ont t mens au LCSR ([Mounam-Rousselle, 1993], </p><p>[Bourguignon, 1997]). Il est alors ncessaire de connatre de faon prcise les paramtres </p><p>permettant de contrler et stabiliser les flammes de prmlange pauvres. </p><p>Une meilleure comprhension de ces phnomnes est ralise grce lapport de </p><p>rsultats statistiques qui confirment ou amliorent les modles thoriques. Des expriences </p><p>fondamentales qui limitent le nombre de paramtres sont donc une ncessit car elles </p><p>permettent lanalyse fine des phnomnes physiques. </p><p>Les progrs raliss dans les techniques de mesures et plus particulirement dans les </p><p>techniques optiques permettent lacquisition directe de grandeurs que lon ne pouvait prdire </p><p>qu partir de modles. Aujourdhui, la recherche exprimentale se tourne de plus en plus vers </p><p>les systmes de mesures deux ou trois dimensions comme la vlocimtrie par imagerie de </p><p>particules (V.I.P.) ou la fluorescence induite par plan laser (F.I.P.L.). Cette volution est </p><p>favorise par lamlioration des lasers et des systmes dacquisition qui permettent de </p><p>dterminer avec une grande prcision plusieurs grandeurs ([OYoung &amp; Bilger, 1996]). Cette </p><p>grande prcision permet dtudier les interactions locales entre la combustion et la turbulence. </p></li><li><p>2 Introduction gnrale </p><p>Le prsent travail sinscrit dans la continuit de ceux commencs il y a plus de dix ans </p><p>au laboratoire ([Boukhalfa, 1988], [Deschamps, 1990], [Mounam-Rousselle, 1993], [Ghna, </p><p>1995] [Bourguignon, 1997], [Gagnepain, 1998]). Le cadre gnral de ltude est la rduction </p><p>des missions doxydes dazote dans les flammes prmlanges notamment pour des </p><p>applications utilisant la technologie de combustion 3P (Prvaporise Prmlange Pauvre). </p><p>Nous tudions dans ce travail paramtriquement la structure instantane et moyenne des </p><p>flammes turbulentes de prmlange CH4-air, lorsque lon varie leur richesse et leur taux de </p><p>turbulence. </p><p>Ce travail sarticule en trois grandes parties. </p><p>Une premire partie introduit des gnralits sur les phnomnes de combustion avec </p><p>une bibliographie centre sur la flamme laminaire de prmlange et la flamme turbulente de </p><p>prmlange. Nous y exposons les chelles de turbulence et des dfinitions sur la vitesse et </p><p>lpaisseur de flamme. La prsentation du modle de Bray, Libby et Moss nous amne faire </p><p>une tude de la dissipation scalaire. </p><p>La deuxime partie se scinde en trois chapitres. Un paragraphe dcrit le brleur </p><p>Bunsen et caractrise les flammes tudies. Nous prsentons ensuite les dispositifs </p><p>exprimentaux. Dans un premier lieu, nous dcrivons les dispositifs impliquant la diffusion </p><p>induite par effet Rayleigh en rappelant la thorie. Nous utilisons deux systmes : la diffusion </p><p>Rayleigh un point qui donne des mesures ponctuelles et la diffusion Rayleigh deux </p><p>dimensions. Nous dtaillons ensuite le dispositif de tomographie laser. Pour chacun de ces </p><p>dispositifs, nous dcrivons les traitements qui ont t effectus. </p><p>La troisime partie, fractionne en trois chapitres, est consacre la prsentation des </p><p>rsultats exprimentaux. Par limagerie Rayleigh et Mie, nous caractrisons la structure </p><p>scalaire de la flamme. </p><p>Dans le chapitre un, nous faisons une description macroscopique de la flamme et des </p><p>lots de gaz brls ou non-brls qui rend compte de linfluence de la richesse et de la vitesse </p><p>dcoulement des gaz frais sur laspect gnral de la flamme. Nous dterminons les iso- c </p><p>avec lpaisseur turbulente, lchelle caractristique de plissements, la densit de surface de </p><p>flamme. Nous regardons galement linfluence des lots sur le calcul de lchelle </p><p>caractristique de plissements et la densit de surface de flamme. La flamme est divise en 6 </p><p>rgions dont nous tudions indpendamment la densit de surface de flamme. En outre, nous </p></li><li><p>Introduction gnrale 3 </p><p>comparons nos rsultats dimagerie Mie avec la diffusion Rayleigh un point de [Gagnepain, </p><p>1998]. </p><p>Dans le chapitre deux, nous tudions la structure du front de flamme instantan. Dans </p><p>un premier temps, nous faisons ltude statistique de la courbure du front de flamme sur toute </p><p>la flamme puis dans six rgions de la flamme. Nous dterminons, dans un deuxime temps, </p><p>lpaisseur thermique de la zone de raction du front de flamme et la zone de prchauffage </p><p>avec le gradient de temprature des fronts de flamme instantans. Nous regardons alors sil </p><p>existe une corrlation entre lpaisseur et la courbure pour notre configuration de flamme. </p><p>Nous tudions par la suite lvolution de lpaisseur sans effet de la courbure. </p><p>Dans le chapitre trois, nous analysons les implications de nos rsultats sur les modles </p><p>de combustion turbulente de prmlange, le modle de Bray, Moss et Libby et les modles </p><p>utilisant la dissipation scalaire. Nous examinons les distributions des longueurs dentre-</p><p>croisements qui permettent dobtenir lchelle caractristique de plissements. Nous </p><p>dterminons ensuite la dissipation scalaire et la relation qui existe entre celle-ci et la densit </p><p>de surface de flamme. Enfin, un dernier paragraphe de ce chapitre est consacr la </p><p>dtermination de lintensit de combustion et du taux de combustion. Ces grandeurs sont </p><p>obtenues partir des imageries Rayleigh et Mie. Nous comparons alors nos rsultats avec </p><p>ceux dautres techniques de mesures telles que lanmomtrie Doppler laser associ Mie, la </p><p>diffusion Rayleigh un point et les rsultats de la littrature. </p></li><li><p>4 Partie I </p></li><li><p>Synthse sur les flammes de prmlange 5 </p><p>Partie I SYNTHSE SUR LES FLAMMES DE PRMLANGE </p><p>Cette premire partie est compose de trois sections. Dans la premire section, nous </p><p>donnons des gnralits sur le phnomne de combustion. Nous nous concentrons ensui...</p></li></ul>