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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