V Résultats expérimentaux
Les résultats suivants sont obtenus après
traitement des images de la caméra thermique. Ils donnent la forme des
isothermes de la flamme dans le plan de symétrie pour le cas de deux
jets impactant. On voit qu'il y a naissance de deux tourbillons, un pour le
butane et l'autre pour l'air. Ces deux tourbillons se détachent et se
mélangent. La zone de mélange est la zone dans laquelle la
combustion a lieu (zone de réaction). La position de cette zone varie
suivant plusieurs critères. L'un des principaux critères est le
nombre de Reynolds des deux jets.
Figure (V-13) : Variation temporelle de
l'écoulement diffusif des deux jets d'impacts: l'intervalle de temps
entre deux figures successifs est 0.02 seconds ReC4H10=225 1,
Reair=214. (T1 à T9).
On voit dans les figures qu'il y a naissances de deux
tourbillons. Le premier provient du jet d'air, alors que l'autre vient du jet
de butane. Les deux tourbillons se diffuse complètement l'un dans
l'autre pour former un grand tourbillon. C'est la zone où a lieu la
combustion pour un maximum de température (T4). Du fait que les vitesses
des deux écoulements ne sont pas très élevées
l'effet de compressibilité due aux vitesses est négligeable. Il
reste uniquement l'effet de la variation de la densité entre l'air et
les espèces produites par la réaction. Cet effet peut causer des
interactions entre ces deux tourbillons agités par l'écoulement
moyen. Chacun à sa propre trajectoire le long de l'axe de la flamme qui
peut être considéré comme un axe de symétrie pour
ces deux tourbillons. Dans ce cas le mélange n'est pas parfait (T1, T6,
T8, T9) Fig. (V-13).
Le développement d'un grand tourbillon central dans T5
et T7 se fait par la diffusion des tourbillons des réactifs par la
couche extérieure jusqu' à leurs noyaux. Le front de flamme est
vu comme une interface entre gaz frais / gaz brûlés ou fuel /
oxydant. Dans d'autres cas le front se trouve sur l'interface de contacte des
deux tourbillons (Fig. V-2, V-3).
Figure (V-14) : Front de flamme
Si les tourbillons des deux écoulements ont le même
sens de rotation les gaz ne sont pas parfaitement mélangés
(Fig.V- 15-b).
Si les tourbillons des deux écoulements ont des sens de
rotation opposés, les gaz sont parfaitement mélangés
(Fig.V-15-a) favorisant le mélange des gaz.
(a) (b)
Figure (V-15) : Cas de deux tourbillons (a)
sens opposés, (b) même sens.
Figure (V-16) : Mélange de deux
tourbillons.
L'énergie des tourbillons existant dans la première
zone est transférée par advection à la deuxième
zone.
D'après la (fig.V-17) on voit que le mécanisme
de combustion est constitué de trois zones principales. La
première se trouve au dessous du point d'impact. Dans cette zone le
carburant et l'air ne sont pas encore mélangés. Elle est
caractérisée par des vitesses élevées. C'est une
zone caractérisée par un faible apport de chaleur.
Avant de passer à la deuxième région, on
constate que le point d'impact des deux jets est un point de transition entre
les deux régions. Ce point est caractérisé par une vitesse
nulle, donc aucun échange de quantité de mouvement n'intervient.
C'est une zone de sous pression. Ce point joue le rôle d'accroche flamme
dans les StatoRéacteurs. Puis vient la deuxième zone principale
qui est la zone de mélange dans laquelle toutes les bouffées
tourbillonnaires chargées par la sous pression crées dans le
point d'impact éclatent et donnent une zone de mélange. Les
espèces chimiques entres en réaction avec l'air puisque ces
espèces trouvent une intensité de turbulence favorable pour
réagir.
Dans la troisième zone les tourbillons sont chargés
par les gaz brûlés dans la deuxième zone. Donc c'est une
région complémentaire et moins énergétique.
Après cette analyse on voit que les gros tourbillons ne
sont pas responsables de l'efficacité en termes de rendement
énergétique dans les flammes d'impact. Ils transportant les gaz
seulement d'une région à un autre. Aussi les petits tourbillons
situés dans la deuxième zone jouent un rôle important pour
augmenter la température de la flamme de diffusion stabilisé
après le point d'impact.
Figure (V-17) : Mécanisme de combustion
dans une flamme de diffusion d'impact.
Nous avons calculé l'intensité de turbulence comme
suit :
En premier lieu nous avons captée le signale de
température brut. Après le calcul de sa moyenne, en calcul sa
fluctuation et on suite en applique la formule de l'intensité de
turbulence pour calculer l'intensité de l'écoulement.
T
?= 1
n
i
T i
n
(V-9)
La fluctuation est calculée par la formule suivante :
T=T-T
' (V-10)
L'intensité de l'écoulement est calculée par
:
T
I = . (V-11)
T
2
40
70
60
50
30
20
10
0
Reair=214 (Vair=1 .5m/s)
ReC4H10=2251 (VC4H 10=1 m/s)
ReC4H10=3376 (VC4H 10=1 .5m/s)
ReC4H10=4502
(VC4H10=2m/s)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Intensité de turbulente (%)
Figure-(V-18): Expérimentale de l'intensité de
turbulence pour un ReC4H 10 variable
le long de l'axe de la flamme.
D'après l'expérimental réalisée sur
les flammes de diffusion d'impactes, on a observés les points suivantes
:
> Quand les vitesses du jets d'air sont supérieures
à celles du butane on observe, une déviation de la flamme vers le
coté du butane et la consommation du carburant est meilleur, et une
diminution des suites dues à la combustion. Ceci s'explique par le fait
que le butane contient quatre atomes du carbone lies à 10 atomes de
l'hydrogène. Puisque le débit d'air est augmenté toutes
les liaisons entre molécules du carbone et de l'hydrogène sont
détruites. Comme conséquence, on trouve moins d'hydrocarbures
imbrûlés (CnHm) dans le mélange.
contrairement à une flamme de diffusion d'un jet simple qui produit
beaucoup de suies à cause de la faible intensité turbulente.
> Lorsque les vitesses du jets du butane sont
supérieures à celles de l'air on observe une déviation de
la flamme vers le coté du jet d'air. Ainsi la richesse augmente. En
conséquence la flamme redonne une quantité significative des
suies où des hydrocarbures imbrûlés.
> Quand la vitesse du jet de butane est égale
à la vitesse du jet d'air la flamme prend une position verticale. Cela
influe négativement sur la longueur de la chambre de combustion et sur
la production des suies.
> Quand la flamme est constituée par un seul jet
libre de butane la longueur de la flamme est petite ceci s'explique par la
faible consommation de carburant et une température maximale
inférieure à celle des deux jets impactant.
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
650
600
550
750
700
Expérimentale y=0.06m y=0.05m y=0.04m y=0.03m
y=0.02m
Moyen des températures
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
temps (second)
Figure V-19: tracées de la température en fonction
du temps
Dans la figure (V-19), on voit que le champ thermique varie
selon la distance à partir des deux jets ceci est confirmé avec
les signaux captés dans différentes régions de la flamme.
A y= 0.03m le signal thermique et caractérisé par une amplitude
élevée. C'est la zone juste après le point d'impact. Dans
cette zone les particules trouvent ont une énergie cinétique
élevée. Après le rencontre au voisinage du point d'impact,
une chute enthalpique avec une intensité de turbulence très
élevée a été créée. De ce fait on
peut considérer que la distance entre le point d'impact et le point
y=0.03m représente la zone où prennent naissance les grands
tourbillons.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Y /D
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Reair= 21 4 (V a ir= 1 .5m/s)
ReC4H 1 0 =2251 (VC4H10 = 1 m/s)
Figure(V-20): Intensité turbulente
des fluctuations de température le long de l'axe entre les
deux jets.
Ecole Militaire Polytechnique Etude
expérimentale
0 10 20 30 40 50 60 70
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Reair=214 (Vair=1.5m/s)
ReC4H10=4502(VC4H10=2m/s).
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,0
Reair=274 (V a ir=2m/s)
ReC 4H 1 0=3376 (VC 4H 1 0=1 .5m/s).
Y/D 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
Y/D
|
Figure(V-2 1): Intensité turbulente estimé par les
fluctuations du température.
|
Figure(V-22): Intensité turbulente du fluctuations
detempérature sur l'axe entre les deux jets.
|
Les fig. (V-20), (V-21), (V-22) donnent l'intensité de
turbulente calculée à partir des fluctuations du champ de
température pour différents pairs de nombres de Reynolds pour le
jet d'air et le jet du carburant. Dans la fig. (V-20) on trouve que
l'intensité de turbulence augmente le long de l'axe de la flamme
jusqu'à Y/D=57. A partir de cette distance, l'intensité de
turbulence prend une valeur constante. Dans la fig. (V-21) l'intensité
de turbulence diminue pour Y/D entre 0 et 15. Cette diminution est
située avant le point d'impact. Une quantité du carburant est
éjecté vers le bas de la flamme. Dans la fig. (V-22) cette
intensité de turbulence augmente et ensuite elle diminue à partir
de Y/D =35. Cette diminution est due à l'apparition d'une zone de
re-circulation.
0 10 20 30 40 50 60 70
Y/D
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,2
1,0
Reair= 137 ((V a ir= 1m /s)
ReC 4H 1 0=214 (VC 4H 1 0=1.5m/s)).
Figure(V-23): Intensité turbulente de la tem p
érature
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Mélange maximal
Reair=214 (Vair=1 .5m/s)
ReC4H10=2251 (Vbut=1 m/s)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
X axis title
Figure(V-24) Intensité de turbulence le longueur de l'axe
de la flamme
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Zone I
distance le long de l'axe de la flamme
Mélange complète
Zone II Reair=214 (Vair=1 .5m/s)
ReC4H10=4502 (Vbut=2m/s)
1,0
Reair=24 14 (Vair= 1 m/s)
ReC4H10=3376 (Vbut=1 .5m/s).
0,8
0,6
0,4
Pic d'intensité maximal
0,2
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
distance le long de la flamme
Figure(V-26) Intensité de turbulence le long de l'axe de
la flamme
Figure(V-25) Intensité de turbulence le long de l'axe de
la flamme
Ecole Militaire Polytechnique Etude
expérimentale
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Reair=274 (Vair=2m/s)
ReC4H10=3376 (Vbut=1 .5m/s).
distance le long de la flamme
Figure (V-27) Intensité de turbulence le long de l'axe de
la flamme
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
=3376
C4H10
m/s).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Reair=214, Re
(Vair=VC4H 10=1.5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
distance le long de la flamme
Figure(V-28) Intensité de turbulence le long de l'axe de
la flammme
D'après les fig.(V-24), (V-25), (V-26), (V-27), on voit
bien que l'intensité de turbulence basée sur les fluctuations de
température augmente le long de l'axe de la flamme, donc la
température augmente aussi quand en s'éloigne du point d'impact.
Les deux tourbillons issues des deux régions commencent se mouvoir et
à se mélanger en augmentant l'intensité de turbulence.
Dans les figures précédente le point d'intensité maximale
est le point où les deux
tourbillons se mélanger complètement sur une
longueur à peut prés égale à la moitié de la
longueur de la flamme
A partir de ce point l'intensité de turbulence diminue.
Donc, c'est la zone de combustion brûlage de quelques quantités du
carburant. Au de la de ce point, la production d'énergie n'est pas
significative, mais avec augmentation de la longueur de la flamme ce qui fait
encombré notre chambre de combustion. Pour rattraper cette
inconvénient en jeu sur l'augmentation du diamètre avec
réduction du nombre de Reynolds pour crées un turbulence
locale.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1,1
1,0
séq 01
Vair=1 .5m/s, Vbut=1 m/s
séq 02
Vair=1 .5m/s, Vbut=2m/s
séq 03 Vair=1m/s, Vbut=1.5m/s
séq 04 Vair=2m/s, Vbut=1.5m/s
séq 05
Vair=1 .5m/s, Vbut=1 .5m/s
distance le long de la flamme
Figure(V-29) Intensité de turbulence le long de l'axe de
la flamme
La fig. (V-29) illustre bien ce qui a été dit
dans le paragraphe précédent. Les courbes d'intensité de
turbulence coïncident sur la même distance pour différents
nombres de Reynolds.
En plus de la convection, de la turbulence, de la diffusion
turbulente et des réactions chimiques, deux phénomènes
physiques sont souvent importants pour les flammes et les foyers non
prémélangés. Ce sont le transfert de chaleur par
rayonnement et par convection naturelle. En effet, les flammes non
prémélangées chauffées, rayonnent de façon
efficace. Ce rayonnement peut jouer un rôle non négligeable dans
le bilan énergétique du milieu gazeux pendant la combustion. Par
ailleurs, lorsque les vitesses des jets qui amènent le combustible, ou
le comburant, ne sont pas trops élevées, et si des zones assez
larges existent dans la
flamme où la vitesse des gaz ne dépasse pas des
valeurs de l'ordre du mètre par second la flamme est attachée
à la sortie des deux jets.
V-5-2 Distribution de la température pour deux
jets impactant
D'après les fig.(V-32), (V-30), (V-31), (V-B-33) le
gradient de température augmente le long de la flamme jusqu'au
début de la zone III où ce gradient diminue. La confirmation de
ce pic de température apparaît sur les courbes des fig. (V-24),
(V-25), (V-26), (V-27). Quand le transfert de chaleur par convection domine
dans l'écoulement, on obtient des courbes très allongées
et ceci se produit pour les grands nombres de Reynolds.
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
Reair=274 (Vair=2m/s)
ReC4H10=3376(VC4H10=1.5m/s)
Y/D=10
Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
SEQUENOE004
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
1500
1400
1300
1200
1100
1000
600
900
800
700
500
sp001
Reair=214 (Vair=1.5m/s)
ReC4H10=2251(VC4H10=1m/s)
Y/D=10
Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
X
l'axe X
Figure(V-30) Distribution de la température pour deux jets
impacts
Figure(V-31) Distribution de la température pour deux jets
impacts
1600
1400
1200
Séquence 003
Reair=137 (Vair=1m/s)
ReC4H10=3376
(VC4H10=2m/s) Y/D=10
Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
1000
800
600
400
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
2000
1800
Reair=214 (Vair=1.5m/s)
ReC4H10=4502
(VC4H10=2m/s) Y/D=10
Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
séquence 002
1600
1400
1200
1000
800
600
400
2000
1800
X -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
X
Figure(V-32) Distribution de la température pour deux jets
impacts (K)
Figure(V-33) Distribution de la température pour deux jets
impacts (K)
Dans le cas où le transfert de chaleur par rayonnement
domine sur les autres modes de transfert thermique on voit que les courbes sont
un peut aplaties puisque pour ce mode, le transfert thermique se fait dans
toute les directions et non pas seulement dans la direction de
l'écoulement fig. (V-31), (V-34). L'écoulement dans la
région centrale du jet est différent de celui de
l'écoulement dans la région frontière. L'écoulement
dans la région de frontière n'est pas continue, et devient
intermittent vers l'extérieur. Cette différence trouve sa
signification à partir des Fig.(V-32), (V-30), (V-31), (V-33), (V-34),
(V-35) des résultats expérimentaux de jets impactant. Cette
intermittence dans la région de frontière indique qu'il y
à présence de grands échelles de turbulence.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
X
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
600
500
700
Séquence 005
Reair=214 (Vair=1 .5m/s)
ReC4H10=3376 (VC4H10=1 .5m/s) Y/D=10
Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
1100
1OE0
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
X
1350
1300
1250
1200
1150
ReC4H10=3376
(VC4H10=1.5m/s)
Y/D=10 Y/D=20 Y/D=30 Y/D=40 Y/D=50 Y/D=60
Figure(V-34) Distribution de la température pour deux jet
impactants (K)
Figure(V-35) Distribution de la température pour un jet
réactive ejecte dans de l'air libre.
Puisque la turbulence est caractérisée par une
grand diffusivité, l'écoulement des jets d'impacts est un
écoulement dissipatif. Cette dissipation se produit dans la
région dominée par les petites échelles de turbulence.
La production d'intensité tourbillonnaire, et donc de
la turbulence, s'accompagne d'un étirement des filets tourbillonnaires
et par conséquent, d'une augmentation des distances séparant les
particules fluides fig. (V-3), (V-4), (V-5).
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|
