Déroulement d’un essai

Ce paragraphe décrit le déroulement d’un essai dans les conditions d’utilisation normale de la chambre. Dans un premier temps, le protocole expérimental sera détaillé, puis les différents diagnostics mis en œuvre seront présentés.

Présentation des mesures de pression et de flux de chaleur aux parois

Dans ces travaux, les mesures de pression et de flux de chaleur sont réalisées respectivement avec un capteur de pression dynamique (capteur Kistler 6125 CU 20) et un fluxmètre de type E NANMAC. Comme souligné dans la section précédente, deux emplacements de capteur sont disponibles sur le corps central de la chambre. Le premier, situé en bas de la chambre, assure des mesures dans les gaz frais, le second, situé en partie supérieure de la chambre, mesure principalement les grandeurs dans les gaz brûlés. Dans cette étude, les capteurs seront situés de manière privilégiée dans la partie basse de la chambre. Dans le cas où le fluxmètre occuperait cet emplacement, le capteur de pression sera positionné sur le second emplacement de capteur (dans les gaz brûlés) pour acquérir une mesure de pression pour chaque essai. Sauf indication contraire, le capteur de pression Kistler 6125 CU 20 est positionné sur l’emplacement de capteur dans la partie basse de la chambre afin de maîtriser au mieux les conditions thermodynamiques dans les gaz frais avant l’apparition des transitions de régime. Ce capteur est équipé d’un pare flamme métallique pour éviter toute dérive thermique au contact de la flamme. Il possède une fréquence de résonnance de 70 kHz.

Le signal de pression est conditionné à l’aide d’un amplificateur de charge (Kistler 5011) traduisant la tension reçue en unité de pression (20 bar/V). Il est ensuite distribué sur deux voies d’un oscilloscope, échantillonnées électroniquement sur 11 bit à la fréquence d’acquisition de 25 MHz5 (Tektronix DPO4034B), ayant des calibres différents (1 V/division pour une voie et 0.1 V/division pour l’autre). De cette manière, la montée en pression pendant la combustion est suivie avec un meilleur échantillonnage, et les fortes oscillations caractéristiques des transitions de régime sont également enregistrées avec une résolution suffisante pour l’analyse.

Pour les mesures de flux, un thermocouple à jonction érodée NANMAC de type E est utilisé. La mesure instationnaire de la température de paroi permet de calculer le flux de chaleur en paroi de la chambre par une analyse monodimensionnelle du problème de conduction transitoire. Cette méthode a été développée et présentée en détail dans les travaux de thèse de Sotton [135]. Lors des mesures de flux de chaleur, le signal de pression en sortie de l’amplificateur de charge n’est pas dédoublé. Le capteur de pression mesure alors des variations de pression liées à la propagation d’ondes de choc dans les gaz brûlés. L’utilisation d’un calibre intermédiaire (0.2 V/division) est alors suffisante pour la mesure de l’évolution de pression tout le long de la combustion et ce,

5 L’oscilloscope utilisé est codé en 8 bit mais possède un mode dit « haute résolution » pour lequel une moyenne glissante est réalisée électroniquement, codée en dur dans l’oscilloscope, entre deux relevés de mesure. En traitant le signal de la sorte, et avec un fonctionnement à une fréquence de 25 MHz, il est possible d’augmenter virtuellement la sensibilité de l’oscilloscope jusqu’à 11 bit.

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même en présence de transitions de régime vers l’auto-inflammation et la détonation. Les calculs d’incertitude de mesure liés aux différentes chaînes d’acquisition pour la mesure de la pression et du flux de chaleur sont détaillés en Annexe G.

L’incertitude globale sur la mesure de pression, comprenant le biais expérimental de mesure et l’incertitude relative, représente environ 2.7 %. L’incertitude sur la mesure de température dans la chambre est d’environ 0.1 %, ce qui correspond à 0.4 K6 dans les conditions thermodynamiques initiales dans la chambre. Dans le cas d’une mesure de flux de chaleur, l’incertitude dépend du nombre de points considérés et représente dans le cas de l’étude environ 18 %.

Protocole expérimental

Le protocole expérimental est le suivant :

 Réalisation d’un vide primaire de la chambre  Fermeture de la vanne de la pompe à vide VPV

 Injection du mélange de O2/Ar jusqu’à une pression de 1 bar (contrôlée par le capteur de pression chauffé Baratron MKS 631D). Dans ce cas, il s’agit de s’assurer qu’il ne reste pas de gaz brûlés résiduels de l’essai précédent

 Ouverture de la vanne de la pompe à vide VPV  Réalisation d’un deuxième vide primaire  Fermeture de la vanne d’admission VA3

 Relevé de la pression au vide du capteur chauffé (Pvide_chauffe)  Injection à la seringue du n-décane liquide à travers le septum

 Attente de la stabilisation du niveau de pression sur le capteur chauffé (10 secondes)  Relevé de la pression sur le capteur chauffé (Pdecane)

 Fermeture des vannes VP2 (pour protéger le capteur) et VC1 (vanne de la chambre)  Réalisation d’un troisième vide dans le circuit d’admission uniquement

 Fermeture de la vanne de pompe à vide VPV

 Relevé de la pression au vide du capteur de pression non chauffé (Pvide)

 Ouverture des vannes VB et VA1 et injection du mélange inerte O2/Ar dans le circuit d’admission

 Ouverture de la vanne VC1 et remplissage de la chambre jusqu’à P0 avec P0 = Pvide+Pvoulue Pour rappel, l’injection du mélange inerte doit se faire à faible débit pour éviter toute recondensation du décane dans la chambre (vinj 14.5 10-3 g.s-1).

 Fermeture des vannes VB, VA1, VA2, VA3, VC1, VC2, VP1

 Attente de 10 minutes (temps optimisé voir la section 2.3.1)

6 La grande précision de cette mesure est directement liée à l’utilisation d’un boîtier Keithley QuickDaq échantillonné sur 24 bits.

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 Mise en position d’enregistrement de l’amplificateur de charge, de l’oscilloscope et de la caméra

 Lancement d’un créneau de tension pour déclencher l’allumeur  Enregistrement des données (signaux oscilloscope, vidéos)  Arrêt du mode d’enregistrement de l’amplificateur de charge  Ouverture (dans cet ordre) des vannes VE, VA2, VA3, VC1, VC2  Ouverture des vannes VP1 et VP2

 Ouverture de la vanne VPV de la pompe à vide

Phénoménologie d’un essai

Dans cette partie, la phénoménologie générale d’un essai dans la chambre de combustion sera présentée. La caractérisation des différents fronts réactifs fera l’objet du chapitre 3.

L’oxydation des gaz frais dans la chambre de combustion peut être séparée en deux étapes distinctes, une étape de compression des gaz frais par la propagation de la déflagration dans la chambre de combustion, et une étape de transition de régime de combustion et d’accélération de l’oxydation des gaz frais. La première étape est initiée par une décharge électrique dans la partie supérieure de la chambre (Figure 2-11). Une déflagration se propage ensuite, depuis la partie supérieure de la chambre, vers la partie basse (Figure 2-11-A et B). La présence d’instabilités hydrodynamiques couplées au coincement de la flamme en paroi provoquent l’inversion de la flamme et la formation d’une topologie de flamme en forme de tulipe (Figure 2-11-C). Une fois cette topologie de flamme stabilisée, la compression des gaz frais se poursuit par la propagation de cette flamme dans la partie basse de la chambre. Sur ce schéma, la zone de visualisation utilisée pour la majorité des essais est présentée. La Figure 2-11-D présente une visualisation chimiluminescence directe de la partie supérieure de la chambre. La Figure 2-11-E présente, quant à elle, une visualisation par strioscopie de la flamme tulipe dans la partie basse de la chambre (zone de visualisation utilisée pour l’ensemble des visualisations réalisées pour un mélange de n-décane).

Figure 2-11 Schéma explicatif de la phase de compression des gaz d’un essai à haute température (A à C) D : Visualisation directe de la flamme dans la partie supérieure de la chambre

E : Visualisation par strioscopie de la flamme dans la zone de visualisation utilisée pour l’étude

C B

A D

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La première phase de l’essai dans la chambre prend fin lorsque les conditions thermodynamiques dans les gaz frais sont suffisantes pour initier un ensemble de réactions chimiques conduisant à l’auto-inflammation en deux étapes du mélange. La seconde phase est décrite sur la Figure 2-12. Un second7 front réactif apparaît dans la partie la plus chaude des gaz frais8 et se propage en suivant le gradient de température dans les gaz frais (Figure 2-12-A et B). Ce second front pré-oxyde les gaz frais. Puis un troisième front réactif apparaît dans la même zone que le précédent et consomme les gaz frais résiduels (Figure 2-12-C). Pour des conditions de température plus élevées, un quatrième front réactif prend naissance contre le troisième front réactif et se propage dans toutes les directions, aussi bien dans les gaz frais que dans les gaz brûlés, sous la forme d’une onde de choc (Figure 2-12-D). Des visualisations en strioscopie de chacun des trois fronts réactifs décrits dans la deuxième phase de l’essai sont présentées sur la Figure 2-13 (respectivement image A pour le deuxième front réactif, B pour le troisième et C pour le quatrième). La deuxième phase de l’essai se termine par l’oxydation totale des gaz frais.

Figure 2-12 Schéma explicatif de la deuxième phase d’un essai à haute température

7 Le premier front réactif correspond à la déflagration dans la chambre.

8 Cette zone se situe au cœur de la flamme tulipe car les échanges avec l’extérieur y sont fortement limités.

C B

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Figure 2-13 Visualisation par strioscopie des différents fronts réactifs observables dans la phase de transition de l’essai

A : deuxième front réactif, B : troisième front réactif et C : quatrième front réactif

Au cours de ces travaux, l’influence de la source d’allumage n’a pas été caractérisée à proprement parlé. On peut cependant imaginer qu’un déplacement de cette dernière au milieu de la chambre, comme cela a été fait dans les travaux de thèse de Q.Michalski, entrainerait la combustion plus rapide du mélange et ne serait donc pas favorable à l’apparition d’une auto-inflammation dans la chambre. De plus, une augmentation de la puissance du système d’allumage aurait également pour conséquence d’accélérer légèrement la première phase de propagation de la déflagration. Cela reviendrait à diminuer légèrement la durée de combustion, ce qui ne serait également pas favorable à l’apparition d’une auto-inflammation en fond de chambre.