3.3 Étude paramétrique
3.3.1 Détermination des paramètres influents
L’objectif de l’étude est de déterminer l’influence de plusieurs paramètres physiques sur la structure de la flamme de diffusion à jets opposés. Nous avons retenu cinq paramètres importants auxquels un expérimentateur peut avoir accès indépendamment les un des autres : la vitesse des jets aux deux injecteurs, la température à chacun des injecteurs (TCH4 etTAir), la richesse de la
flammeΦ (cf. 3.5 ) et l’écartement L des brûleurs. Nous avons calculé la température maximale et les concentrations d’espèces rayonnantes produites sur le profil axial de cette flamme.
Nous exposons d’abord une campagne préalable qui nous a permis de réduire le nombre de para- mètres de notre étude. Nous définirons par le terme « adiabatique » (= sans pertes thermiques) les résultats obtenus en faisant abstraction du rayonnement dans l’équation de l’énergie. Puisque les hautes températures favorisent la formation desN Ox et influencent sur la transformation du CO
enCO2, nous avons étudié mené cette première partie de l’étude en ne considérant que l’influence
des cinq paramètres cités sur la température maximale. Nous avons vu (cf. § ) que la structure de la flamme était contrôlée par le taux d’étirement. Nous observerons donc l’évolution deTmax en fonction du taux d’étirementΛ∗ pour chacune des séries de calculs.
3.3.1.1 Influence de la température des jets (cf. Fig.3.5 et Fig.3.6) :
La flamme considérée ici est une flamme riche (Φ = 15.32). L’augmentation de la température d’un des jets d’entrées entraîne un apport d’énergie initial et une modification des conditions limites qui ont pour conséquence d’augmenter la température maximale de la flamme.
Nous avons fait varié la température des jets d’Air de300 K à 1200 K. Par la suite, nous avons effectué la même opération sur la température du jets deCH4. En préchauffant l’un des réactifs, le profil de masse volumique et donc le profil de vitesse se trouvent modifiés. Les vitesses d’injection étant fixées, la diminution de ρ quand la température augmente, à pression constante, entraîne une baisse du débit massique du comburant préchauffé. Nous avons pu observer (Fig.3.5) que la diminution du débit de l’oxydant ou du fuel modifie la dynamique de l’écoulement et abaisse le taux d’étirement local sur le lieu de la flamme. Cependant la température maximale de la flamme augmente puisque le gain en enthalpie compense largement la perte qu’entraîne la baisse du débit massique. Ceci est confirmé par le fait que le préchauffage de l’air a beaucoup plus d’influence sur la flamme que le préchauffage duCH4. Bien que la chaleur massiquecp,CH4 soit plus grande
que celle de l’air cp,Air, à la stœchiométrie, c’est à dire sur le lieu de la flamme, la masse d’air étant plus importante que celle du méthane (le rapport est de l’ordre de 16.7), le préchauffage de l’air amène plus d’énergie enthalpique que celui du combustible. Ceci est en accord avec les
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 35 40 45 50 55 60 65 70 Λ * (s − 1) T jet (K) T
air : 300 à 1200 K (Modèle Adiabatique) T
CH4 : 300 à 1200 K(Modèle Adiabatique) T
air : 300 à 1200 K (Modèle OTL) TCH4 : 300 à 1200 K (Modèle OTL)
FIG. 3.5 – Influence des températures des jets sur le taux d’étirement
résultats obtenus par Chan en 1998 [18]. Nous augmenterons donc plus facilement la température maximale des flammes en préchauffant le jet d’air et c’est ce paramètre qui a été retenu pour tester l’impact d’une température de flamme élevée sur le rayonnement.
3.3.1.2 Influence de la vitesse des jets et de l’écartement des injecteurs (cf. Fig.3.7) :
Ce paramètre a été testé pour une flamme ayant la même richesse que celle étudiée au para- graphe précédent (Φ = 15.32), la température des deux jets étant fixée à 300 K. La formulation globale du taux d’étirement (3.8) montre clairement qu’une diminution des vitesses de jets revient à écarter les injecteurs (écartement noté∆x à la Fig.3.7). Même si le système est différent d’un point de vue géométrique, la température maximaleTmax n’est fonction que du taux d’étirement Λ∗(cf. § 3.1.4). Les résultats présentés à la Fig.3.7 ont été obtenus à partir d’une flamme ayant des injecteurs écartés de2.2 cm et des vitesses de jets de 20 cm.s−1, en faisant varier soit les vitesses d’injection ou soit l’écartement des injecteurs. Les courbes en trait plein représentent l’évolution de la température en fonction du taux d’étirement lorsque l’on fait varier la distance entre les in- jecteurs. Les cercles présentent l’évolution obtenue en abaissant les vitesses d’injection.
Les deux paramètres (vitesse d’injection et écartement des injecteurs) ont bien la même in- fluence sur la structure de la flamme. Cependant la diminution des vitesses entraînent un épaissis- sement de la flamme tel que les limites du domaine sont rapidement atteintes (la flamme touche
35 40 45 50 55 60 65 70 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Λ* (s−1) Tm a x (K) T
air : 300 à 1200 K (Modèle Adiabatique) T
CH4 : 300 à 1200 K (Modèle Adiabatique) T
air : 300 à 1200 K (Modèle OTL) TCH4 : 300 à 1200 K (Modèle OTL)
FIG. 3.6 – Influence des températures des jets sur la température maximale
0 10 20 30 40 50 60 70 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 Λ* (s−1) Tm a x (K) Variation de ∆ x (Adiab.) Variation de v jet (Adiab.) Variation de ∆ x (OTL) Variation de v jet (OTL)
les injecteurs. Nous nous exposons alors à une forte influence des conditions limites, faussant le comportement de la flamme (cf. Fig.3.7). Nous nous placerons donc dans une configuration où l’écart entre les brûleurs est suffisamment grand (10 cm) pour diminuer le taux d’étirement sans interférer avec les conditions limites.
3.3.1.3 Influence de la richesse :
La richesse d’une flamme modifie directement la structure de la flamme. En particulier, elle influence le domaine d’existence de la flamme en fonction du taux d’étirement. En effet, la limite d’extinction par blow-off (lorsque le temps de résidence des espèces chimiques n’est pas suffisant pour qu’elles puissent brûler) décroît avec la richesse. De même, l’énergie dégagée par la flamme est moindre lorsque la richesse diminue et les proportions augmentées de gaz inerte non préchauffé en consomment une partie significative. Nous avons effectué des calculs pour différents cas, à vi- tesses de jets fixés, en faisant varier la richesse de la flamme deΦ ≈ 15 à Φ ≈ 1, en utilisant le modèle adiabatique et le modèle OTL. Pour cela, nous avons abaissé la fraction massique deCH4 injectéY1,F, la température des jets étant fixée à300 K. Nous avons pu observer une croissance puis décroissance du taux d’étirement (sur des plages différentes) lorsque la richesse varie. Ceci est lié au fait que la variation de la masse volumique est prise en compte dans notre définition de Λ. En réalité, la variation de la richesse n’a que très peu d’influence sur le taux d’étirement. Tou- tefois, nous avons bien pu vérifié que la températureTmax ne peut être liée à un taux d’étirement Λ∗ unique que si la richesse est fixée. Ce paramètre doit donc être défini dès le départ pour mener une étude paramétrique.
L’étude de l’influence des différents paramètres permet finalement de restreindre le champs d’étude à trois paramètres intéressants : les vitesses d’injections, la température du jet d’air et la richesse. Dans la section qui suit, nous observerons l’influence de la richesse en étudiant deux types de flammes : riches (Φ ≈ 15) et stœchiométriques (Φ ≈ 1).