Définition des phases d’interaction en configuration monodimensionnelle laminaire 18

Les mécanismes intervenant dans l’interaction dépendent de la configuration géométrique (cf. Figure 1.3). La démarche graduelle engagée pour décrire les principaux processus s’est appuyée sur le cas de l’interaction front de flamme/paroi pour aboutir à celle étudiée qui est illustrée sur la Figure 1.10dans le cas d’une approche simplifiée (configuration frontale, monodimensionnelle et laminaire). Sur le même principe et pour présenter l’évolution du com-portement de l’écoulement réactif, les vitesses de propagation du FF S_LW (Figure 1.11(a)) et S_LI (Figure1.11(b)), sont respectivement utilisées pour décrire les deux cas d’interaction.

Figure 1.10 – Configuration d’interaction frontale

(a) Paroi, inspiré de Van Tiggelen [49] (b) Paroi avec dépôt de film

Figure 1.11 – Définition des cas et phases d’interactions

(a) Sans dépôt de film liquide, il s’agirait d’une configuration d’interaction entre le FF et la paroi dans le cadre d’une combustion parfaitement prémélangée. Trois zones d’influence différentes [14,49,50] peuvent être distinguées (Figure1.11(a)). Dans la première, la vitesse S_LW du FF, n’est pas influencée par la paroi. Dans la seconde, l’influence de la paroi se fait ressentir à partir d’une distance δ_W, puis l’extinction se produit à la distance δ_q. Elle marque le début de la troisième zone. Ces deux échelles dépendent, entre autres, de la richesse initiale Φ₀.

être rencontrés selon les caractéristiques de l’écoulement. Dans le cas d’un régime lami-naire, il rencontre une stratification présentant un gradient de richesse régulier. Lorsque son effet est prépondérant devant celui de la paroi, les mécanismes rencontrés évoluent, tout comme les grandeurs caractéristiques δ_q et δ_{stratification} (Figure 1.11(b)).

Lorsque le prémélange initiale est pauvre Φ₀ < 1, Desoutter [5] a étudié numériquement les évolutions temporelles de S_LIdurant l’interaction, dans différentes conditions et une épaisseur initiale de film de 20 µm. Elles montrent que l’extinction de la flamme survient après que sa vitesse de propagation ait augmenté. En outre, lorsque la température de paroi T_W augmente, l’extinction de la flamme se fait de manière un peu plus brutale, attestant de l’implication des gradients de richesse qui deviennent alors plus importants avec une vitesse d’évaporation supérieure. Ce constat confirme que la température de paroi T_W est un paramètre essentiel à considérer [6].

Dans ce cas (Φ₀ < 1), l’évolution de S_LI est alors bien différente de S_LW et présente un intérêt particulier, notamment par rapport au contexte de l’étude où le front de flamme se propage initialement dans un prémélange pauvre avant interaction.

Dans le cadre de la présente démarche expérimentale, les phases d’interaction sont définies par (I-j)_j=1,2,3. Elle marquent une évolution significative du comportement de l’écoulement réactif, et ainsi, des transferts thermiques liant les éléments de la Figure 1.9 et l’ensemble des couplages qui peuvent maintenant être précisés :

(I-1) La flamme n’est pas influencée par la présence du film liquide. Un échange thermique entre le film et l’écoulement gazeux existe par conduction ou convection. En général, le milieu réactif engendre de forts gradients thermiques et implique toujours la présence d’un transfert par rayonnement. Il existe alors également un flux radiatif net échangé entre la flamme et le système paroi/liquide qui évolue durant cette première phase de l’interaction lorsque le FF se rapproche de la paroi.

(I-2) La flamme est influencée par les vapeurs du film. Une combustion en milieu stratifié se produit, pouvant occasionner simultanément des gradients thermiques supérieurs et une évolution de la composition locale dans les gaz brûlés. Ceci a pour effet de modifier, par des mécanismes différents, les transferts radiatifs qui évoluent encore avec la proximité du FF. Lorsque le FF rencontre des richesses importantes (Φ > 1), la formation de suies modifie à nouveau ces transferts. Simultanément, l’échange thermique entre le film (s’il est encore présent) et l’écoulement gazeux peut évoluer lorsque le FF est assez proche du film.

(I-3) Une extinction du front de flamme se produit. Dans cette phase, les gaz brûlés se trouvent à proximité de la paroi et peuvent contribuer à l’évaporation du carburant qui se retrouve alors "en contact" avec des gaz à très haute température pouvant, se-lon les caractéristiques de l’écoulement, amener à une nouvelle phase qui sera précisée ultérieurement.

De cette analyse de l’approche simplifiée des phases de l’interaction, il ressort que la distance d⁰ entre le front de flamme et la paroi constitue un paramètre de premier ordre qui vient s’ajouter à ceux dégagés de l’état de l’art relatif aux principaux mécanismes. Pour les rappeler, il est essentiel de contrôler la température de paroi T_W, l’épaisseur du film d_{f l} et son régime d’écoulement ainsi que les caractéristiques de l’écoulement gazeux, sa température

1.4 De la caractérisation de l’interaction à la mise au point d’une démarche

T^g et sa vitesse ~Vg. Pour le front de flamme, S_L est un des paramètres importants de la combustion partiellement prémélangée. Enfin, les caractéristiques des fluides interviennent aussi sur les paramètres de l’interaction.

L’ensemble des approches simplifiées réalisé dans ce chapitre, a permis d’identifier les principaux mécanismes et paramètres qui vont guider la démarche expérimentale visant à apporter des premiers éléments de réponse aux questions relatives à cette interaction.

1.4.3 Questions fondamentales et objectifs de la démarche

L’analyse bibliographique a montré que les mécanismes impliqués dans l’interaction sont nombreux, et pour la plupart, difficiles à découpler. Elle permet de dégager quelques questions fondamentales, relevant d’abord du cas de l’écoulement gazeux non réactif :

– Dans quelle mesure la température de paroi et l’épaisseur du film jouent-elles sur les conditions du changement de phase liquide/vapeur ?

– Comment les propriétés de l’écoulement gazeux influencent-elles l’évaporation et les caractéristiques du mélange inhomogène ?

– Comment modifient-t-elles en retour la température de paroi ?

– Comment l’écoulement gazeux modifie-t-il les caractéristiques du film ?

Puis, celles exclusivement liées à la combustion en phase gazeuse :

– Comment la présence du rayonnement modifie-t-elle la température de paroi ?

– Quelle est l’importance de la proximité du front de flamme sur les caractéristiques thermiques du système paroi/liquide ?

– Comment évolue l’épaisseur du film et quel mécanisme contrôle l’évaporation au cours de l’interaction ?

– Comment, en fonction des caractéristiques de l’écoulement, l’évaporation joue-t-elle sur le processus de combustion ?

– Comment les modes de combustion en proche paroi modifient-ils en retour l’évapora-tion ?

Pour récapituler, il existe très peu d’informations sur les mécanismes impliqués dans l’in-teraction et leurs couplages. Les développements numériques sont par conséquent bloqués du fait du manque de connaissance sur le sujet et ne peuvent évidemment être validés faute de dispositif expérimental. De plus, les questions fondamentales ne sont pas exclusivement ratta-chées à la communauté des écoulements réactifs et dépassent largement le cadre des moteurs. Dans un tel contexte, l’objectif est de développer une démarche expérimentale pour apporter des premiers éléments de réponse aux questions fondamentales relatives à l’interaction.

Les mécanismes intervenant dans l’interaction dépendent de la configuration géométrique, des fluides impliqués, de la paroi, etc. Pour atteindre les objectifs, il faut tout d’abord sélec-tionner une configuration expérimentale académique simplifiée [51], hors moteur, qui permette de contrôler les principaux paramètres liés à l’aérothermochimie et maîtriser les conditions aux limites du problème pour envisager sa simulation numérique.