Comparaison entre une flamme d’H 2 de diffusion et partiellement

prémélangée

La Figure 2.9 présente les profils radiaux expérimentaux des concentrations des espèces chimiques majeures (H2, H2O, N2 et O2) ainsi que de la température pour une flamme

d’hydrogène pur. Deux flammes, diffusion (gauche) et partiellement prémélangée avec φ = 3 (droite), sont présentées pour quatre différentes positions axiales adimensionnelles z/HT (10%, 20%, 40% et 80%).

Pour la flamme de diffusion (gauche), près de la sortie du brûleur (z/HT = 10%), aucun prémélange n’a encore eu lieu entre le carburant et l’air ambiant, ce qui explique la faible température de flamme ainsi que la faible concentration d’H2O, d’O2 et de N2 sur l’axe

central. Toutefois, à une distance radiale d’environ 7 mm, soit à la périphérie de la flamme où le mélange est stoechiométrique, la quantité d’H2O est maximale avec une concentration

de 30%. Ceci correspond aussi au point où le carburant est presque totalement consommé, tel que mentionné par Cheng et al. (2006). De plus, jusqu’à une distance radiale d’environ 7 mm, la concentration d’O2 dans la flamme reste nulle, ce qui indique que la quantité d’O2 de

l’air ambiant qui se diffuse dans la flamme est entièrement consommée pour produire de l’H2O. À cette distance radiale, la concentration d’O2 commence à augmenter et croise le

profil d’H2. L’intersection radiale des deux profils correspond également à la distance radiale

où la température de flamme et la fraction molaire d’H2O sont maximales, tel qu’observé par

Cheng et al. (2006) et Toro et al. (2005). La température de flamme maximale mesurée est de 2370 K, ce qui est similaire à la température de flamme adiabatique de 2380 K. En augmentant la valeur de z/HT de 10% à 40%, la concentration centrale d’H2 diminue puisque

l’hydrogène réagit avec l’oxygène présent dans l’air pour former de la vapeur d’eau au centre de la flamme. La concentration centrale d’H2O continue ensuite d’augmenter jusqu’à ce

qu’elle atteigne une valeur maximale correspondant à un mélange stoechiométrique à z/HT = 40%. Toutefois, la valeur radiale maximale d’H2O demeure constante à environ 30%, ce qui

est proche de la valeur stoechiométrique de 35%. La température au centre de la flamme augmente jusqu’à une valeur de z/HT = 40% avant de diminuer lentement lorsqu’on se déplace vers la pointe de la flamme tandis que la valeur maximale obtenue demeure constante. De plus, la valeur maximale mesurée se déplace selon l’axe radial en fonction de la hauteur de mesure. En effet, à z/HT = 10%, la valeur maximale se retrouve à r = 5,5 mm, se déplace à r = 7,5 mm à z/HT = 20% et se situe finalement dans le centre de la flamme pour les autres hauteurs. Ceci indique donc que la largeur de flamme augmente légèrement avec z/HT avant de commencer à diminuer après z/HT = 20%, ce qui a d’ailleurs été observé visuellement lors des expérimentations. La présence croissante de N2 sur l’axe central

indique que le niveau de prémélange dans la flamme augmente également. En augmentant la valeur de z/HT à 80%, l’absence d’H2 au centre de la flamme indique que cette espèce a

complètement réagi précédemment pour produire l’H2O, ce qui résulte en une diminution de

la concentration d’H2O et une augmentation de l’O2 mesuré sur l’axe central causé par la

diffusion de l’air dans la flamme et les produits de combustion. De plus, comme les réactions d’oxydation sont terminées et qu’il y a mélange entre l’air ambiant et les gaz brûlés, la température de flamme diminue considérablement. Finalement, la diffusion radiale des produits de combustion est responsable de l’élargissement de la concentration des espèces qui devient uniforme pour le N2, l’H2O et l’O2.

Pour la flamme partiellement prémélangée, la Figure 2.9 (droite) démontre que, au fur et à mesure que la valeur de z/HT augmente, et ce, jusqu’à z/HT = 80%, la concentration centrale d’H2 diminue tandis que la concentration centrale de N2 augmente, que celle d’H2O demeure

constante et que la température de flamme augmente. Plus spécifiquement, puisque l’air est déjà mélangé avec le carburant à la sortie du brûleur, l’azote et l’eau sont déjà présents à z/HT = 10% et la température de flamme centrale est plus élevée que pour la flamme de diffusion. Toutefois, comme l’O2 et une partie de l’H2 ont déjà réagi pour former de l’H2O, la

concentration d’O2 est très faible. Vandooren et al. (1997) ont également observé le même

phénomène pour une flamme riche d’un mélange H2/CO/N2O/Ar. De plus, à z/HT = 10%, la valeur maximale d’H2O mesurée, qui correspond à celle d’un mélange stoechiométrique,

n’est pas au centre de la flamme, mais plutôt à une distance radiale d’environ 5 mm indiquant la diffusion rapide du mélange dans l’air alors que la flamme apparaît à la stoechiométrie. Donc, à z/HT = 10%, le mélange riche en carburant s’est déjà diffusé dans l’air sur une distance de 1 mm illustrant le fort coefficient de diffusion de l’hydrogène.

En comparant les deux flammes (diffusion et partiellement prémélangée) pour un même z/HT, on peut conclure que la structure de flamme dépend du niveau de prémélange. Par exemple, tout l’hydrogène brûle plus rapidement avec la flamme partiellement prémélangée qu’avec la flamme de diffusion. En effet, à z/HT = 40%, environ 5% d’H2 est détecté pour φ = 3 (Voir

Figure 2.9 droite) tandis qu’il reste encore 20% d’H2 dans la flamme de diffusion. Pour ce

qui est de la température de flamme, les valeurs centrales et maximales sont plus élevées avec la flamme partiellement prémélangée qu’avec la flamme de diffusion. De plus, la valeur maximale de la température est obtenue à une distance radiale plus petite pour la flamme partiellement prémélangée que pour la flamme de diffusion indiquant une flamme plus mince, ce qui a d’ailleurs été observé lors des expérimentations.

Figure 2.9 Profils radiaux des concentrations volumiques des espèces chimiques majeures et de la température pour une flamme d’H2 pur avec φ = infini

D’un autre côté, certaines similitudes entre les deux flammes peuvent aussi être observées. Tout d’abord, une fois que la concentration maximale d’H2O est atteinte à une certaine valeur

de z/HT, elle demeure constante à une valeur de z/HT plus élevée jusqu’à ce que le carburant soit entièrement consommé avant de commencer à diminuer. Cette tendance a aussi été observée dans des flammes de diffusion et partiellement prémélangées de méthane (Ishizuka et Sakai, 1988; Nguyen et al., 1996) et d’hydrogène (Cheng et al., 2006; Toro et al., 2005). Deuxièmement, la concentration radiale d’O2 commence à augmenter quand la concentration

d’H2 est presque complètement consommée indiquant la diffusion de l’air dans les produits

de combustion.