Etude bibliographique
1.5 Caractéristiques de la combustion sans flamme
tion du temps et de l’évolution du système en faisant intervenir la composition changeante des fumées. L’emploi d’une boucle de rétroaction semble ici particulièrement pertinente.
1.5 Caractéristiques de la combustion sans flamme
1.5.1 Les fluctuations
Par rapport à un foyer classique, dans une installation sans flamme, les fluctuations de tout genre (acoustiques, thermiques) sont beaucoup plus faibles en mode sans flamme.
Fig. 1.33 – Mesure des émissions acoustiques d’un foyer FLOX pour différents modes de fonctionnement, effectuées par Wünning (1995) : on se rend compte que le mode de fonctionnement en mode FLOX est à peine plus bruyant que le fonctionnement inerte.
Wünning et al (1995) ont mesuré les émissions acoustiques émises par une installation sans flamme à divers stades de son fonctionnement. Les résultats sont portés sur la figure 1.33. On y voit qu’un foyer en mode de combustion sans flamme génère notablement moins de bruit que le même foyer en combustion classique. Ce niveau de bruit est à peine supérieur à celui qu’auraient les gaz seuls sans combustion dans l’installation. En mode sans flamme, les émissions sonores générées par des fluctuations acoustiques, sont également beaucoup plus régulières qu’en mode normal. Les fluctuations de pression sont également beaucoup plus faibles.
Hasewaga (1997) a effectué des constatations similaires sur la flamme obtenue entre un jet de propane qui se détendait dans une couronne d’air. Suivant que cet air soit pré-chauffé ou non, il a mesuré la température dans la zone maximale de la flamme générée. Les résultats sont portés sur la figure 1.34. Pour une même valeur moyenne, dans le cas pré-chauffé, on constate que les fluctuations sont de l’ordre de grandeur d’un cinquantième de
Fig. 1.34 – Fluctuations de température dans la zone de température maximale, mesurée par Hasewaga (1997) pour une flamme jet de propane dans un écoulement d’air. A gauche, mesure effectuée pour une flamme classique sans préchauffage, à droite avec préchauffage de l’air.
celles observées pour cette même température dans le cas non préchauffé. Ishiguro (1998) montre également une flamme stabilisée entre un jet d’air central entouré d’une couronne de gaz. Le préchauffage des réactifs faisait fortement chuter le nombre de Reynolds de la configuration.
1.5.2 La chimiluminescence
Comme le montrent les clichés de la figure 1.2 présentées en introduction, le rayonne-ment d’un régime sans flamme est très différent de celui d’une combustion classique : la zone de chimiluminescence semble quasi-absente, seules sont distinguables les parois réfrac-taires rayonnantes du four. Ce constat est général, les observations rapportées sont toutes similaires, quelle que soit la configuration étudiée.
Dandy et al (1992) ont étudié le lien entre l’intensité de la chimiluminescence et la richesse d’une flamme de prémélange dans une enceinte sphérique, et ce, dans la bande optique de 304 ± 32 nm, soit la bande d’émission du radical OH∗
. La corrélation entre ces deux facteurs déduite est présentée sur la figure 1.35 : le maximum d’intensité lumineuse se situe pour une richesse de 1.2. Autour de ce maximum, la luminosité décroît de façon exponentielle, pour des gammes de richesses comprises entre 0.6 et 0.9 et au-delà de 1.4 tout particulièrement. Dandy et al. (1992) ont, en outre, présenté l’épaisseur de la flamme comme fonction de la richesse locale : aux faibles et aux fortes valeurs de celle-ci , l’épaisseur augmente fortement, alors que la flamme la plus mince se trouve aux alentours de la
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Fig. 1.35 – Mesures de l’émissivité OH et de l’épaisseur de flamme dans le cas d’une flamme prémélangée, effectuée par Dandy (1992) : la richesse du prémélange est un para-mètre décisif, et ce autant pour l’émissivié que pour l’épaisseur de flamme.
stoechiométrie, comme le montre la deuxième courbe de la figure 1.35. Appliqués au cas présent, ces résultats laissent à penser la chose suivante : la combustion sans flamme serait le régime dans lequel, du fait de la dilution locale, on assisterait à l’épaississement du front de flamme local en même temps que la diminution de l’intensité lumineuse. Toutefois, cette explication ne tient pas compte d’autres observations faites et rapportées au sujet de la dilution, qui laisseraient à penser que pour ce mode, les réactifs se situeraient localement dans des proportions quasi-stoechiométriques et que la réaction entre eux se produise en ambiance fortement diluée.
Ishiguro (1998) a mené une étude sur la chimiluminescence du radical CH∗
suivant la dilution et le préchauffage pour une flamme se développant entre deux écoulements, l’un central avec de l’air, et l’autre annulaire avec du carburant. Cette étude avait comme paramètre la nature du carburant, ainsi que la température du combustible. Ses résultats, obtenus en effectuant une moyenne sur 128 images, sont présentés sur la figure 1.36. La chimiluminescence de CH∗
décroît fortement en fonction de la dilution et la température élevée apparaît comme un facteur d’homogénéisation de l’émission lumineuse, car à forte température, les gradients de luminosité sont beaucoup plus faibles.
L’étude du spectre d’émission lumineuse de la réaction de combustion permet, à partir de résultats de la spectrométrie, de remonter à la présence d’espèces dans la zone de réaction lumineuse. Gupta (1999) a mesuré le spectre d’émission d’une flamme de propane, en faisant varier la température de préchauffage de l’air, les résultats des différents essais figurent en 1.37. Le niveau général d’émission augmente avec la température, ce qui est en
Fig. 1.36 – Distribution spatiale moyenne de l’émissivité CH∗
d’une flamme-jet, obtenue par Ishiguro (1998) en fonction du carburant, de la dilution et de la température de pré-chauffage. Les mesures ont été effectuées par segmentation sur une image moyenne, obtenue sur 128 images.
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Fig.1.37 – Mesures spectrométriques d’une flamme de propane, effectuées par Gupta (1999) pour différentes températures de préchauffage. On remarque une modification inhomogène des émissions, desquelles se déduit une modification des voies réactionnelles à haute tem-pérature.
cohérence avec les résultats d’Ishiguro présentés ci avant. En fonction de la température de préchauffage, il y a une modification du schéma réactionnel : pour les hautes températures, il y a une augmentation très nette des émissions autour des longueurs d’onde de 306.4, 516, 390 et 431.5 nm, correspondant respectivement aux raies caractéristiques de OH∗
, C2 ainsi que la double raie du CH∗
. Leur augmentation, plus forte que celle du niveau général, indique une modification du schéma réactionnel à haute température avec une libération d’un surcroît de radicaux.
Ces résultats sont confirmés par d’autres mesures, et tout particulièrement celles menées par Hasewaga (1997), qui a mesuré la variation de l’intensité lumineuse sur deux raies caractéristiques des espèces CH∗
et C2. On observe, là aussi, une forte croissance des émissions de chimiluminescence du C2 et du CH∗
en fonction de la température. Ces fortes émissions de radicaux C2 et CH∗
sont confirmées pas Masson et al (2005), qui produit des visualisations directes de formation des radicaux CH∗
et C2 près de la tête d’injection d’un brûleur pilote sans flamme. Ces images sont obtenues par une caméra intensifiée dotée d’un filtre passe-bande aux longueurs d’onde concernées, elles figurent en 1.38. On voit que les émissivités, et donc les concentrations, augmentent directement avec la température.
1.5.3 Transferts radiatifs
Par rapport à une flamme traditionnelle, un foyer de combustion sans flamme est beau-coup plus homogène en température. Cette grande surface rayonnante augmente le
trans-Fig.1.38 – Mesure spectrométrique des radicaux CH∗
et C2, effectuée par Hasewaga (1997) simultanément sur deux longueurs d’onde pour chaque radical, en fonction de la tempé-rature. On confirme par cette étude une modification des schémas réactionnels à haute température.
Fig.1.39 – Visualisation de l’émission spontanée en sortie d’injecteur, obtenue par Masson (2005) : en haut, visualisation des radicaux C2, en bas, visualisation des radicaux de CH∗
. On remarque l’intensification des émissions avec la température.
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fert radiatif. A l’inverse les niveaux de température sont plus faibles, ce qui a tendance à diminuer le flux de chaleur transféré. La recirculation joue par ailleurs un rôle majeur, puisque transportant des espèces rayonnant fortement (CO2, H2O). Enfin, comme le rap-porte Masson (2005), les régimes sans flamme ont tendance à générer beaucoup de suies, qui sont bien connues pour augmenter le transfert thermique radiatif.
Fig.1.40 – Mesures de flux de chaleur rayonnée le long d’une flamme classique, formée par un jet de carburant se détendant dans un écoulement annulaire d’air, effectuées par Fujimori (2000) pour plusieurs carburants. On se rend compte que le rayonnement thermique n’est pas homogène.
Fujimori (2000) s’est intéressé à la mesure du flux de chaleur émis par une flamme jet dans un écoulement d’air annulaire, en fonction de la température de préchauffage. Les résultats obtenus pour des flammes sans préchauffage sont produits figure 1.40 : on constate que, à l’état normal, une flamme émet un flux de chaleur rayonné de façon inhomogène le long de la flamme. Lorsque l’on augmente la température de préchauffage, la fraction rayonnée a tendance à augmenter, mais diminue le rayonnement de la flamme. Pour un taux de production de chaleur inférieur, la température diminue, ce qui entraîne également une diminution du flux de chaleur.
Des études ont également été menées à ce sujet dans des installations pilotes. (Weber 2000, Flamme 2001, Pesenti 2003, Masson 2005), toutes ont en commun d’avoir mis en évidence une relative homogénéité du flux de chaleur rayonné le long du four, une fois le régime sans flamme atteint. La figure 1.41 montre un exemple des résultats obtenus. Ceci est à corréler à des mesures de température effectuées par reconstruction par Lupant (2005) sur une installation pilote (présenté sur la figure 1.42). L’homogénéité de la chambre est remarquable : le gradient de température le plus fort, entre la ligne centrale et la proche
Fig.1.41 – Densités de flux mesurées le long de brûleurs sans flamme par Brune (2001) : à gauche, résultats pour un brûleur de modèle REKUMAT 150, à droite, pour un brûleur RE-GEMAT 350B. On remarque l’homogénéité saisissante en comparaison avec des flammes traditionnelles, présentées en 1.40.
paroi, est inférieur à 200°C. Cette homogénéité augmente encore lorsque la température de préchauffage augmente.
Enfin, contrairement à l’hypothèse émise par Weber (2005), qui postulait qu’une instal-lation en mode sans flamme se comportait comme un corps noir rayonnant à la température des parois, des calculs effectués montrent en fait que l’émissivité du four est supérieure. En effet, à la contribution des parois vient s’ajouter celle des gaz chauds, qui augmente les valeurs d’environ un tiers. Ces résultats sont portés sur la figure 1.43.