Nous avons utilis´e la spectroscopie d’´emission r´esolue en temps pour ´etudier l’´evolution tem-porelle de la densit´e et la temp´erature ´electronique d’un plasma d’air cr´e´e par la focalisation d’un rayonnement laser `a 355 nm. Nous avons montr´e que pendant les premi`eres ns qui suivent la cr´eation de l’´etincelle, le spectre consiste essentiellement en un contiuum d’´emission dˆu aux recombinaisons ´electron-ion et au bremsstrahlung et que l’apparition des premi`eres raies ato-miques se fait assez rapidement (12 ns).
2.10 CONCLUSIONS 47
La d´etermination de la temp´erature ´electronique du plasma a ´et´e r´ealis´ee `a partir des mesures des intensit´es de raies int´egr´ees de l’oxyg`ene (715.7 et 777.4 nm). Nous avons montr´e qu’aux premiers instants, la temp´erature ´electronique avoisine les 30000 K avant de d´ecroˆıtre exponen-tiellement vers les 12000 K 2.5 µs plus tard. L’ordre de grandeur des temp´eratures et l’´evolution temporelle sont en bon accord avec celles que l’on peut trouver dans la litt´erature.
La caract´erisation en densit´e ´electronique a ´et´e r´ealis´ee `a partir des raies d’hydrog`ene. Nous avons montr´e que la densit´e ´electronique d´ecroˆıt ´egalement exponentiellement `a partir d’une
valeur de 1.2×1018cm−3pour finir `a 1017cm−3 apr`es 3 µs.
De plus, nous avons montr´e que la densit´e ´electronique est li´ee `a la temp´erature ´electronique
par une loi du type ne ∝ T1/(γ−1). Cette relation nous indique que l’expansion du plasma, suite
au claquage, se d´eroule globalement `a chimie fig´ee et isentropiquement, avec un rapport des chaleurs sp´ecifiques ´egale `a 1.2± 0.1.
CHAPITRE 3
´
E
NERGIE MINIMUM D’
ALLUMAGE D’
UN MELANGE´
COMBUSTIBLE
/
COMBURANT3.1 Introduction
L’´etude de l’allumage d’un m´elange gazeux combustible/comburant est d’un int´erˆet fondamen-tal et d’une importance pratique cruciale dans les moteurs `a combustion interne, dans les tur-bines `a gaz, ainsi que dans les probl`emes li´es aux possibilit´es d’emballement thermique d’un proc´ed´e, ou encore aux conditions qui assurent la stabilit´e du stockage de mati`eres inflammables ou explosives. Les allumages sont r´ealis´es dans ces syst`emes avec une fr´equence importante et pour des dur´ees de fonctionnement qui peuvent ˆetre tr`es longues (moteurs `a piston – allumage command´e par ´etincelle ou auto-allumage des moteurs diesel). Dans d’autres situations, l’allu-mage est r´ealis´e en une s´equence unique et la flamme est ensuite stabilis´ee dans l’´ecoulement, en g´en´eral par des dispositifs qui assurent la recirculation de gaz chauds produits par la com-bustion. Ainsi par exemple, les foyers a´eronautiques sont allum´es `a l’aide d’une bougie, et la flamme turbulente est maintenue par des recirculations en fond de chambre r´esultant de la rota-tion donn´ee aux gaz frais par les injecteurs, ainsi que par l’injecrota-tion d’air par des trous lat´eraux. Dans les chambres de r´echauffe a´eronautiques, cette recirculation de gaz chauds est obtenue `a l’aide d’obstacles ”´emouss´es”, anneaux et bras radiaux, plac´es dans l’´ecoulement. Dans ces foyers, on trouve donc des ´el´ements assurant l’allumage initial et des dispositifs qui assurent la stabilisation de la flamme par allumage continu des gaz frais par des gaz chauds issus de la combustion. Le bon fonctionnement de ces dispositifs d´epend `a la fois de la m´ethode utilis´ee pour effectuer l’allumage initial et de l’arrangement qui permet d’assurer la stabilisation de la flamme. Dans les moteurs a´eronautiques ou de fus´ees, un retard `a l’inflammation peut conduire, suite `a l’accumulation des r´eactifs dans la chambre, `a une surpression importante lors de l’al-lumage. Dans les cas les plus graves, cela pourrait conduire `a un d´esamorc¸age des pompes entraˆınant l’arrˆet de la combustion.
Pendant des ann´ees les travaux pionniers de Lewis et von Elbe (1987) ont fourni les donn´ees de base sur l’´energie minimum requise pour produire l’allumage d’une flamme. Leurs exp´eriences ´etaient men´ees en utilisant une ´etincelle ´electrique et avaient pour but de d´eterminer l’influence de divers param`etres, tels que la composition du m´elange, la pression, la distance entre les ´electrodes, sur les ´energies minimum d’allumage. Cependant, leurs r´esultats exp´erimentaux, ainsi que ceux d’autres exp´eriences, pr´esentent des d´esaccords avec les valeurs obtenues par des simulations num´eriques. Par exemple dans le cas d’un m´elange stœchiom´etrique de m´ethane/air `a pression atmosph´erique, ils trouvent une ´energie de 0,4 mJ, bien que les simulations entre-prises par Sloane et Ronney (1992), utilisant une chimie d´etaill´ee, ainsi que des mod`eles de transport complets, pr´edisent une valeur de 0,10 mJ. Lewis et von Elbe (1987) trouvent pour 2
50 E´NERGIE MINIMUM D’ALLUMAGE
mm le diam`etre du noyau d’allumage, sur la base du ”spark gap” donnant la plus faible ´energie
minimum d’allumage, tandis que Sloane et Ronney (1992) pr´edisent un diam`etre de 0,6 mm. De plus, bien que Lewis et von Elbe (1987) reconnaissent l’importance des pertes thermiques au niveau des ´electrodes, aucune indication sur les dimensions des ´electrodes utilis´ees dans leurs expr´eriences n’est rapport´ee. Les d´esaccords entre les mesures exp´erimentales et les r´esultats obtenus par simulation sont probablement dˆus `a une caract´erisation incompl`ete du syst`eme d’al-lumage. N´eanmoins, les aspects li´es `a la mani`ere dont l’´energie est d´epos´ee dans le m´elange ne sont pas pris en consid´eration dans les simulations, malgr´e leur rˆole important sur l’efficacit´e
de l’allumage. Dans le cas d’un m´elange H2/air, Syage et al. (1988) trouvent, pour l’´energie
minimum d’allumage `a la stœchiom´etrie, une valeur six fois sup´erieure a celle obtenue `a l’aide d’une d´echarge ´electrique. Lorsque l’on s’´eloigne de la richesse unitaire, vers les m´elanges plus pauvres ou plus riches, les d´esaccords entre les deux syst`emes d’allumages s’amoindrissent sans pour autant disparaˆıtre compl`etement.