Résultats expérimentaux
7.4 Discussion des résultats
plus l’importance de la hauteur de la bosse sera faible. Le faible nombre d’échantillons ne permet pas de mettre en évidence d’avantage qu’une tendance. On constate que l’impor-tance relative de la turbulence de la flamme diminue. Par ailleurs, à même composition et même température de préchauffage, κ est plus important dans le cas de la grille M T que dans le cas de la grille P T . L’épaisseur de la zone de mélange est donc une fonction croissante de l’intensité turbulente.
7.4 Discussion des résultats
Au cours de cette section les caractéristiques des variations de l’intensité turbulente dans l’espace interbuses ont été présentées. La flamme est une source de turbulence : l’accord de localisation entre le pic de l’intensité turbulente en la détection des contours de flamme l’établit. La valeur de la turbulence, hors la perturbation due à la flamme, est une fonction décroissante de la seule température, donc des conditions d’injection. Le fait que la température de préchauffage diminue l’importance relative du "pic" de turbulence est conforme aux constatations rapportées par la bibliographie, qui met en avant une relaminarisation de la flamme pour les hautes températures de préchauffage.
La zone de réaction est caractérisée par la hauteur relative du pic donnée par la valeur de κ. On constate que pour une condition de température donnée, elle diminue avec l’ac-croissement de la concentration des espèces actives. Elle suit donc l’évolution des réactions chimiques, dont les taux de production augmentent avec la température. Par ailleurs, la turbulence induite par la réaction est d’autant plus faible que la température de préchauf-fage est élevée. Dans le même temps, elle augmente avec la concentration des espèces : plus celles-ci sont élevées, plus κ sera importante, et donc plus la bosse sera élevée. Le dégage-ment de chaleur augdégage-mente donc cette bosse. La température fait chuter k∗
de l’écoulement, ce qui explique que la zone de mélange turbulente soit de moins en moins importante. Aussi, la hauteur de la bosse diminue conjointement avec la valeur de k∗
, elle-même di-minuée par l’accroissement de la température. Cette explication est confortée par le fait que, pour une valeur de TZR donnée, à une même composition, κM T est supérieur à κP T. k∗
a donc une influence sur la hauteur et la largeur de la bosse, tout comme le dégage-ment de chaleur. Ainsi, plus on préchauffe, mois la réaction influe sur l’écouledégage-ment. Ces conditions indiquent que, d’un point de vue aérodynamique, à forte température, la chimie est dissociée de l’hydrodynamique, et que les deux phénomènes seraient découplés. être la limite comportementale de la combustion diluée et peut, du reste, être qualitativement rattachée au dégagement de chaleur de la flamme. Si l’examen de l’épaisseur de la flamme et sa position sur les profils nous indique la flamme comme source de turbulence au sein de l’écoulement, cette turbulence décroît de plus en plus au fur et à mesure que la
tempéra-ture de préchauffage et la dilution croissent. Avec la dilution croissante, la part d’espèces actives et la quantité d’énergie disponible pour une réaction décroissent. La diminution de la signature turbulente de la flamme avec l’accroissement de la turbulence car celle-ci, en augmentant le mélange, augmente l’efficacité de la réaction. Aussi, le fait que pour une grille donnée l’importance de la perturbation décroisse avec la température s’explique par le fait que k∗
diminue également avec la montée de la température. Ainsi, pour une grille et une composition donnée, plus la température augmente, moins le mélange est bon, et moins la réaction de combustion est effective. La décroissance thermique de la perturba-tion turbulente serait donc imputable à la diminuperturba-tion du chauffage local provoqué par la réaction de combustion. Avec la hausse de la température, nous assistons donc à une relaminarisation des écoulements, si toutes les choses restent égales par ailleurs. Ceci est cohérent avec des observations rapportées par la bibliographie (Hasewaga (2000), Ishiguro (1998)) et s’explique facilement par un calcul simple. Considérons en effet le nombre de Reynolds, donné par la formule :
Re = ρU D
µ (7.26)
A part le diamètre de l’injecteur D, tous les autres paramètres varient avec la température : les dépendances sont les suivantes :
µ ∝ √T (7.27)
ρ ∝ 1/T (7.28)
U ∝ T (7.29)
Reportant tous ces paramètres dans le nombre de Reynolds, il vient alors : Re(T ) ∝ √1
T (7.30)
Du coup, la relaminarisation s’explique par l’analyse des variations paramétriques.
7.5 Conclusion du chapitre
Au cours de ce chapitre, une description asymptotique des champs de vitesses et d’éner-gie cinétique turbulente sur la ligne centrale d’un écoulement turbulent à point d’arrêt dans lequel se stabilise une flamme non prémélangée a été présenté. Un profil caractéristique d’énergie cinétique turbulente k∗
a été mis en évidence, qui présente une bosse caractéris-tique correspondant à la position de la flamme. Cette bosse matérialise la zone de mélange, dont la largeur dépend de la turbulence amont. Ainsi, c’est la turbulence qui épaissit en tout premier chef la zone de mélange. La largeur du pic, ainsi que le niveau de turbu-lence général - hors la perturbation induite par la flamme et le dégagement de chaleur qui
7.5 Conclusion du chapitre 181
y a lieu - sont liés aux conditions d’injection (turbulence induite par l’injecteur, vitesse d’injection, température de préchauffage). Le taux de dégagement de chaleur ne contrôle que la hauteur de ce pic. Cette intensité turbulente générale, ainsi que la largeur de la zone de perturbation, diminue fortement avec la température de préchauffage, ceci est du au préchauffage des jets qui, en induisant une relaminarisation de l’écoulement, diminue le ménage, ce qui infléchit les dégagements de chaleur. La dilution entraîne également la diminution de la turbulence générée par la flamme.
Bien que les tendances fondamentales aient été dégagées, des mesures poussées sont nécessaires afin de dégager des résultats qualitatifs. Maintenant que l’écoulement a été caractérisé, il convient de s’intéresser plus avant aux aspects chimiques de l’écoulement. Ceci est l’objet du prochain chapitre.
Chapitre 8
Etude de la réaction chimique dans la zone de mélange
8.1 Introduction
Au cours du chapitre précédent, les profils cinématiques sur la ligne centrale ont été étudiés et un profil caractéristique pour l’intensité de l’énergie cinétique turbulente avait été mis en évidence. La flamme se stabilise dans une zone de mélange, caractérisée par un maximum de l’intensité de l’énergie turbulente. Dans ce chapitre, nous nous intéres-serons plus particulièrement aux aspects chimiques de la combustion et la caractérisation de l’activité chimique au sein de cette zone. Contrairement à la vitesse des gaz, qui est relativement facile à mesurer, la caractérisation chimique est plus difficile, et ceci pour deux raisons :
– les réactions chimiques sont très nombreuses et font souvent intervenir des intermé-diaires chimiques hautement instables, à la durée de vie très courte. Aussi, mettre en évidence ces espèces est très difficile, voire impossible.
– l’ensemble des réactions chimiques sont très sensibles à la perturbation : la moindre variation de la température ou de la dynamique de l’écoulement affecte les produits formés.
Les techniques retenues ici seront donc l’émission spontanée et la chimiluminescence des radicaux OH∗
et CH∗
, ainsi que la visualisation de la flamme, en utilisant les moyens et techniques de mesure présentés au chapitre 3.
Ayant accès à des visualisations instantanées des zones de présence des réactifs ou de la flamme, on s’intéresse ici aux épaisseurs. Celles-ci sont déterminées avec des outils logiciels spécialement conçus à cet effet. Le fonctionnement de ceux-ci a été détaillé dans le chapitre 5. Pourquoi s’intéresser à ces épaisseurs, et non pas à l’intensité directement ? Les raisons en sont multiples et liés à la spécificité de la configuration des brûleurs. En effet, on étudie une flamme avec des réactifs non prémélangés. Dans une telle configuration, les processus de mélange et de combustion sont liés, aussi, la présence d’intermédiaires réactionnels, formés d’atomes provenant de l’oxydant et du combustible, tel que le radical OH∗
, caractérisera à la fois la zone de réaction chimique et la zone de mélange. S’intéresser à l’efficacité de ce mélange revient donc à s’intéresser à la profondeur d’imbrication des espèces comburantes et combustibles, ce qui revient à s’intéresser à l’épaisseur de la zone de présence des espèces