Choix des réactants

Plusieurs raisons justifient le choix de remplacer l’air et le combustible par de l’eau pour les expériences. Premièrement, les conditions opérationnelles d’une chambre de combustion sont extrêmement difficiles à reproduire. En effet, les flammes de la zone primaire, qui sont plus chaudes que celles de la zone secondaire, atteignent généralement des températures situées entre 1600 et 2000 K pour les chambres de combustion à mélange

préalable pauvre en combustible, tandis que l’air est compressé à des taux avoisinant 40: 1 (Igoe, 2008). C’est donc dire que la pression est jusqu’à 40 fois plus élevée à la sortie du compresseur, lorsque l’air atteint la chambre de combustion, qu’à l’entrée du compresseur. Afin de remettre les choses en perspectives, il a été mention que 2000 K constituait un seuil typique des flammes de diffusion au-delà duquel les valeurs d’oxydes d’azote formées dépassent généralement les limites tolérées. Bref, reproduire de telles conditions en laboratoire requiert de l’équipement sophistiqué et représente un défi de taille. Outre la complexité de la tâche, la manipulation d’un mélange inflammable sous de telles conditions présente un risque d’explosion. Dans un milieu confiné, le gaz naturel peut se substituer à l’oxygène de l’air inhalé pour agir comme un gaz asphyxiant. De plus, la combustion à mélange préalable pauvre mène inévitablement à la production de monoxyde de carbone. L’exposition à ce gaz incolore et inodore peut entraîner une mort rapide car il est immédiatement absorbé par le système sanguin et prive le corps d’oxygène, même si la concentration de monoxyde de carbone dans l’air est faible (MSSS, 2018). La substitution des gaz par de l’eau constitue un choix beaucoup plus sécuritaire. En termes d’approvisionnement, l’eau est disponible gratuitement en quantité virtuellement illimitée à même le réseau de distribution d’eau potable de la ville qui est raccordé au laboratoire alors que le gaz naturel s’avère nettement plus difficile et dispendieux à se procurer, en plus d’être dangereux à manipuler. Il faut aussi rappeler que l’étude s’intéresse seulement à la qualité du mélange d’air et de combustible avant leur combustion, ce qui signifie qu’il n’y a nul besoin de reproduire la combustion en soi lors des expériences. Un mélange non réactif à des températures ambiantes suffit.

Bien que justifié, le choix de remplacer les réactants par de l’eau comporte des inconvénients. Les gaz ont des propriétés physiques différentes de celles des liquides. D’un point de vue microscopique, les particules composant un gaz sont très éloignées les unes des autres et se déplacent librement à grande vitesse. Pour ce qui est des particules d’un liquide, elles sont liées par des forces d’attraction plus importantes qui les rapprochent entre elles sans toutefois leur procurer une structure ordonnée. Elles sont également en perpétuelle agitation, mais se déplacent beaucoup plus lentement que les particules d’un gaz. De plus,

donc tout l’espace qui leur est offert. Malgré que les gaz et les liquides possèdent des propriétés intrinsèques différentes, il est possible de faire en sorte que l’état de l’écoulement de l’eau utilisée lors des expériences soit le même que celui de l’air et du combustible retrouvé dans la turbine en opération, soit un régime turbulent. Du moment que le nombre de Reynolds est suffisamment élevé, les propriétés moléculaires du fluide ne contrôlent pas les caractéristiques des écoulements turbulents; la dynamique de la turbulence est effectivement la même pour tous les fluides, qu’ils soient liquides ou gazeux (Tennekes & Lumley, 1972). En d’autres mots, des fluides aux propriétés physiques différentes vont se comporter de façon similaire à des nombres de Reynolds comparables en ajustant les dimensions du montage et les vitesses d’écoulements. Sous la base de ce principe, il est possible d’étudier le mélange entre deux gaz en les substituant par des liquides, à condition que leur état d’écoulement soit turbulent et que leurs vitesses relatives demeurent inchangées. Si elles parviennent à optimiser le mélange simulé avec de l’eau en turbulence, les améliorations apportées à la configuration interne de la chambre de combustion auront aussi pour effet d’homogénéiser le mélange entre l’air et le combustible, du moins jusqu’à un certain degré.

La transition d’un régime laminaire à turbulent n’est pas instantanée. À partir d’un certain nombre de Reynolds, des instabilités apparaissent et augmentent progressivement avec les nombres de Reynolds subséquents jusqu’à l’atteinte d’un régime d’écoulement turbulent pleinement développé, qui se caractérise par un comportement chaotique. La zone de transition entre les régimes laminaire et turbulent varie d’une référence à l’autre. Bien qu’il soit généralement admis que le seuil de la turbulence correspond à un nombre de Reynolds d’environ 4,000, certaines sources affirment que la turbulence n’est pas pleinement développée tant que le nombre de Reynolds est inférieure à 10,000 (Liptak, 1995). Il s’agit donc de la valeur choisie dans le cadre de cette étude pour assurer l’absence de zones non turbulentes au sein de l’écoulement qui règne lors des expériences.

En plus des différences ayant été mentionnées préalablement et pour lesquelles des mesures de correction ou de prévention ont été prises, les conditions retrouvées dans la vraie chambre de combustion occasionnent un gradient de température entre les deux

fluides mélangés. D’autre part, le phénomène de diffusion est beaucoup plus important dans les écoulements gazeux que liquides. Il se peut que ces paramètres aient une incidence sur le mélange, mais il a été jugé que leurs effets étaient négligeables et ne méritaient pas d’être pris en compte dans le présent montage expérimental qui vise plutôt l’étude des phénomènes dynamiques.

Dans la chambre de combustion à l’étude, le ratio des vitesses auxquelles l’air et le gaz naturel sont respectivement injectés est de 4: 3. Tel que mentionné, il est important de respecter le même ratio de vitesses entre l’eau simulant l’air et l’eau simulant le combustible pendant les expériences.