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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