Brûleurs à flamme plate

Pour étudier la structure des flammes laminaires de prémélange, les brûleurs à flamme plate sont généralement employés. Ces brûleurs sont conçus de sorte à ce que le mélange en sortie de brûleur soit réparti de façon uniforme sur toute la surface et que l’écoulement soit laminaire, stable, unidimensionnel et, par conséquent, facile à modéliser. Les brûleurs de type

« McKenna » figurent parmi les brûleurs les plus utilisés en laboratoire. Leur structure est présentée sur la Figure II.5.

Figure II.5. Schéma d’un brûleur McKenna.

L’obtention d’un débit de gaz laminaire et uniforme sur toute la surface du brûleur est assurée par un épais « fritté » en laiton ou en inox placé en sortie du brûleur. En présence de la flamme, le brûleur agit comme un puits de chaleur, ce qui diminue la vitesse de propagation de la flamme dans son voisinage et par conséquent limite le mouvement de la flamme. Pour éviter de surchauffer la surface du brûleur, un circuit de refroidissement est intégré au fritté.

Cependant, du fait des échanges de chaleur, la flamme n’est plus adiabatique. La cinétique d’une réaction chimique étant très sensible à la température, il est alors nécessaire de prendre en compte les pertes de chaleur au brûleur. La solution la plus couramment employée consiste à mesurer le profil de température le long de la flamme et à l’intégrer au calcul lors de la simulation des profils d’espèces.

Par ailleurs, Migliorini et al. (2008) ont récemment observé que la distribution radiale des suies observée dans des flammes C2H4/air sur brûleurs McKenna n’est pas homogène sur les brûleurs dont la surface est en inox, contrairement aux flammes stabilisées sur brûleurs avec une surface en bronze. De même, il a été observé que la distribution de température à la surface d’un brûleur en bronze est homogène alors que des variations de 10 K sont observées sur le brûleur en inox. Néanmoins, comme le soulignent Migliorini et al. (2008), cette légère différence n’est pas suffisante pour expliquer les importantes variations de distribution radiale des suies et d’autres études doivent être mises en œuvre afin de clarifier ce phénomène.

D’autres types de brûleurs permettent de limiter les pertes de chaleur voire de stabiliser des flammes adiabatiques. Parmi ceux-ci, on peut citer le brûleur adiabatique conçu par de Goey et al. (1993) et le brûleur à flamme plate conçu et utilisé par l’équipe de C.

Prémélange Garde

Circuit de refroidissement

Anneau périphérique : bronze fritté Surface du brûleur :

bronze/inox fritté

Vovelle au laboratoire ICARE (CNRS Orléans) [Delfau et al. (2007), Biet et al. (2007), Matynia et al. (2009)].

Une solution pour limiter les échanges de chaleur entre le brûleur et la flamme est d’augmenter les débits pour éloigner le front de flamme du brûleur. En théorie, avec un débit suffisamment élevé, les échanges entre le brûleur et la flamme seraient nuls et la flamme pourrait être adiabatique. Cependant, en pratique, la flamme est soufflée bien avant que l’adiabaticité ne soit obtenue. La particularité du brûleur de de Goey et al. (1993) est que la flamme est stabilisée sur une plaque perforée qui préchauffe légèrement les gaz frais. La flamme perd de la chaleur à la surface du brûleur et en gagne par transfert de chaleur au niveau des gaz frais. Ainsi, l’état adiabatique peut-être atteint lorsque les pertes de chaleur au brûleur compensent exactement le gain de chaleur, en faisant varier la vitesse de sortie des gaz frais. Le schéma du brûleur à flamme plate de l’équipe de de Goey est présenté sur la Figure II.6.

Figure II.6. Brûleur à flamme plate adiabatique [de Goey et al. (1993)]

Pour diminuer les échanges entre le brûleur et la flamme, Delfau et al. (2007), Biet et al. (2007) et Matynia et al. (2009) ont placé une grille à 1 cm au dessus du brûleur. Les gaz brûlés s’échappant vers le haut sont légèrement retenus par la grille. Sa présence permet d’augmenter le débit du prémélange sans que la flamme ne soit soufflée. Ainsi, la flamme est décollée du brûleur, ce qui, d’une part, facilite le prélèvement des échantillons gazeux dans les gaz frais et, d’autre part, limite les échanges de chaleur entre le brûleur et la flamme. Les bons accords obtenus entre les profils d’espèces et de température expérimentaux et les profils

Figure II.7. Schéma du brûleur à flamme plate du laboratoire ICARE (CNRS Orléans)

Suivant le même principe, S. de Ferrières (2008) a ajouté, au cours de sa thèse, une plaque en acier réfractaire de 15 cm de diamètre et de 1,5 cm d’épaisseur au dessus d’un brûleur à flamme plate McKenna pour l’étude de flammes de gaz naturel/hydrogène à pression atmosphérique.

Les brûleurs à flamme plate ne sont pas très adaptés à l’étude de structure de flammes à haute pression. En effet, deux évolutions majeures se produisent lorsque la pression augmente. D’une part, le front de flamme devient de plus en plus fin. Ce phénomène, présenté dans la partie 3.4. du chapitre I, est lié à l’augmentation de la densité du milieu qui entraîne une augmentation du nombre de collisions entre les molécules et, par conséquent, une augmentation de la réactivité du milieu. Dans ces conditions, à haute pression, il est nécessaire d’employer des techniques de diagnostic optique, non intrusives et dotées d’une bonne résolution spatiale, pour mesurer des profils de température et d’espèces au sein d’une flamme. La deuxième évolution importante est qu’à haute pression, le front de flamme se situe très près du brûleur puisque la flamme est stabilisée par les échanges de chaleur entre le brûleur et la flamme et que l’évolution des espèces est très rapide. De ce fait, il est très difficile d’obtenir des profils expérimentaux de température et d’espèces le long d’une flamme stabilisée sur brûleur à flamme plate au-delà de la pression atmosphérique. Une solution pour éloigner les fronts de flamme du brûleur tout en conservant une structure unidimensionnelle consiste à employer des brûleurs à contre-courants.

Grille (inox)

Billes en verre

Prémélange Refroidissement

à eau Plaque perforée

(laiton)

Flamme 1 cm