{ C. Proust }
de Mastère ont travaillé sur ce sujet. En par-ticulier, un nouveau concept expérimental a été mis au point pour la production d’une sus-pension air-particules dont on puisse maîtriser et mesurer les caractéristiques y compris les détails de l’aérodynamique (fi gure 1). C’est la première fois que l’on y parvient. Les expé-riences ont été réalisées au sol et en micro-gravité (vols paraboliques) ce qui permet de s’affranchir des diffi cultés associées à l’action des forces de pesanteur sur les particules (limi-tation du temps de présence des particules en suspension).
La chambre a un volume de 20 litres, trans-parente, pour étudier par PIV (Particle Image Velocimetry) et ADL (Anémométrie Doppler Laser) la dynamique du nuage de particules. Il est possible d’affi rmer que dans une enceinte d’essai close, configuration habituellement retenue pour les mesures « d’explosivité »,
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RÉFÉRENCES
Bozier O., Veyssiere B., 2005.
Infl uence de l’état initial sur les caractéristiques de combustion isochore d’une suspension de particules solides, XVIIe Congrès Français de Mécanique, Troyes.
Bozier O., Veyssiere B., 2006. Étude des mécanismes de génération d’une suspension de particules solides dans une enceinte fermée, Actes du 10e Congrès francophone de techniques laser, Toulouse, pp 475-482, 2006.
Principe de
Signal TTL vers la chaîne acquisition donnée (PIV, LDV, Vidéo rapide) Automate de commande
le processus de combustion est représentatif (c’est-à-dire que les résultats peuvent être transposés à une autre confi guration) si l’in-tensité de la turbulence est suffisante (plus grande que 0,5 à 1 m/s) pour que la com-bustion soit adiabatique et si la dispersion des poussières dans la chambre est achevée au moment de l’amorçage. Il semble assez dif-fi cile de satisfaire ces critères dans une petite chambre d’explosion comme celle-ci, puisque le premier critère est satisfait si la combustion est achevée en moins de 500 ms depuis le début de la dispersion tandis que le second est atteint au-delà de 500 ms.
Ces éléments ont été considérés lors de l’in-terprétation des mesures « d’explosivité » standard [Proust et al., 2007b ; Snoeys et al., 2008]. On a effectivement montré que les mesures de violence d’explosion réalisées dans la « sphère » de 20 litres ne peuvent pas être corrélées au moyen d’une relation
« raisonnable » avec celles obtenues avec un équipement de plus grandes dimensions.
Les relations entre la vitesse de la flamme et les paramètres d’explosivité
Il semble donc qu’il faille avoir recours à des chambres d’explosion plus grandes. Un exa-men du processus d’explosion dans les cham-bres de 1 m3 (ISO) de l’INERIS et de 2 m3 de FIKE Corp a fait l’objet d’une collaboration internationale (FIKE Europe, FIKE USA, INERIS).
Pour mesurer les caractéristiques de la turbu-lence et du nuage de poussières (y compris pendant la propagation de la fl amme si néces-saire), des sondes aérauliques spéciales (fi gure 2) et des opacimètres, conçus à l’INERIS,
ont été mis à disposition de FIKE Corp. À cette occasion, la société FIKE a mis au point une technique originale de détecteurs thermiques à effet Peltier (fi gure 4) qui semblent donner de bons résultats.
On a trouvé [Snoeys et al., 2006, 2008] que les critères de « représentativité » issus des travaux du LCD sont satisfaits pour ces deux chambres : notamment l’intensité de turbu-lence est constante pendant la propagation de la fl amme et de l’ordre de 2 m/s pour la chambre de 1 m3 et de plus de 0,5 m/s pour la chambre de 2 m3. L’échelle intégrale de la turbulence (taille caractéristique des tour-billons de l’écoulement) est de l’ordre de 5 cm dans les deux appareils. On a vérifié que le développement de la « boule de feu » dans la chambre peut être relié à l’augmentation de la pression par l’intermédiaire de la théorie des fl ammes sphériques confi nées. Cela signifi e que les coefficients d’explosivité « Kst » et
« Pmax » sont directement reliés à la vitesse de propagation de la fl amme comme l’indiquent les essais (fi gure 3) et confi rme la « représen-tativité » des coefficients mesurés dans ces conditions.
La turbulence et la vitesse de combustion
Il reste à préciser les aspects paramétriques de l’interaction turbulence-combustion, ce qui a fait l’objet d’une collaboration avec l’Institut allemand ICT, le LCD et FIKE.
Une installation spécifi que a été conçue à cette fi n à ICT à l’aide de l’expertise et de moyens de mesure de l’INERIS (fi gure 4). Il s’agit d’un tube vertical transparent de section carrée (30 cm x 30 cm), ouvert du côté de l’infl
am-Sondes développées et utilisées dans ce projet.
#2 Sondes de détection de fl amme (Fike) Sondes de turbulence
Opacimètre (concentration de poussières)
Explosions
4. Seebeck-Peltier Detector Probe
Relation entre les coeffi cients d’explosivité et la vitesse de propagation de la fl amme pour plusieurs types de poussières.
#3
Kst / Pmax Vitesse de propagation de la fl amme (m/s)
Évolution de la vitesse de combustion turbulente (St) en fonction de l’intensité de turbulence (u’ : intensité de la turbulence) pour des nuages d’amidon et d’air.
#5
Intensité de la turbulence (m/s) St (m/s)
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« Tube » construit à ICT pour étudier la propagation des fl ammes turbulentes.
#4 mation (en bas) et fermé en haut (hauteur :
180 cm). Un dispositif de dispersion semblable à celui du LCD a été installé. Les caractéristi-ques de la turbulence ont été déterminées au moyen des sondes aérauliques décrites précédemment et le suivi de la flamme est réalisé au moyen d’une caméra vidéo rapide [Scheider et Proust, 2005, 2007]. L’intensité de la turbulence varie de 0,5 à 4 m/s et l’échelle intégrale est de l’ordre de 5 cm (comme pour les chambres d’explosion de 1 et 2 m3).
Ces travaux ont, pour la première fois pour les
nuages de poussières, permis d’établir directe-ment une relation (fi gure 5) entre l’intensité de la turbulence et la vitesse de consommation des réactifs de la fl amme (c’est approximati-vement la vitesse de la fl amme divisée par le taux d’expansion des produits de combustion).
On a vérifi é que, dans une chambre fermée, la combustion se développe de la même façon toutes choses égales par ailleurs (pour cela, les chambres ont été modifi ées pour pouvoir y faire varier le degré de turbulence).
RÉFÉRENCES
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Snoeys J., Proust C., Going J., Farrell T., Vingerhoets J., 2008.
Experimental studies in turbulent fl ame speeds in dust clouds. 8th HPMIE, St Petersburg, Russia, July 2008.
We have tried to specify connections between turbulence and combustion of dust clouds. We wondered about turbulence nature within dust clouds and about their effects on fl ames propagation. The aim is to supply a correlation between characteristics of the turbulence, speed of the fl ame and standard properties of the explosivity knowing that combustion speed is the key parameter to describe progress and effects of an explosion as well as mitigation means. This is an essential objective for modeling dust explosions identifi ed within EXPRES. Quite signifi cant means are necessary to reach there what justifi es a partnership action.
Fundamental aspects were realized through a rather academic collaboration so that signifi cant parameters and their connections were identifi ed. One of these parameters is the turbulent combustion speed which is very diffi cult to measure as a matter of routine, for example during a standard explosivity test in a laboratory.
In association with FIKE, who proposes mitigation solutions in the industrial world, a supplementary connection between one of the parameters of standard explosivity and the turbulent combustion speed was searched. On that occasion, new experimental practices were developed.
ABSTRACT