Effet du rayonnement

La présence de la flamme peut être considérée comme une source de chaleur radiative. La densité de flux thermique, essentiellement dirigée vers le système paroi/liquide, est principa-lement liée à la température des gaz brûlés (T_b) et aux espèces chimiques en présence (CO₂, H₂O, etc.), dont la concentration dépend des caractéristiques du mélange réactif considéré.

Soufiani et al. [109] donnent un exemple de spectre d’émission de gaz à haute température (incluant CO₂ et H₂O) issus d’une flamme air/méthane avec celui d’un corps noir d’une température de 1081 K en fonction du nombre d’onde qui est l’inverse de la longueur d’onde

σ = 1 / λ (Figure 5.11). Ce spectre, comparé qualitativement à celui de l’heptane, va permettre d’évaluer l’importance relative entre les densités de flux T1 et T2.

Concernant l’heptane, la Figure 5.12 montre les spectres en transmittance des phases liquide et gazeuse sur la même plage de nombres d’onde que la Figure 5.11. L’examen de

5.3 Effets de l’écoulement réactif sur le système paroi/liquide

Figure 5.11 – Exemple d’émission de gaz à haute température (incluant CO2 et H₂O) et d’un corps noir acquis avec une résolution de 0,02 cm⁻¹ [109]

Figure 5.12 – Spectre en transmittance de l’heptane (phase liquide et gazeuse dont la pression partielle est de 30 mm Hg pour une pression totale de 600 mm Hg après l’ajout de N₂) en fonction du nombre d’onde (données compilées par Coblentz Society ©)

ces spectres montre que dans le cas des estimations obtenues (épaisseurs, vapeurs diluées) dans le précédent chapitre pour notre configuration, les deux phases peuvent être considérées globalement comme optiquement minces. Elles sont en effet peu absorbantes dans les gammes d’émission de ces gaz brûlés. Dans ces conditions, les lois de paroi ne sont pas affectées directement par le rayonnement, mais indirectement par une augmentation de température de paroi [110,111].

Cette analyse qualitative montre que l’échange thermique radiatif prépondérant implique la flamme et la paroi et signifie que le mode de transfert par rayonnement (T1) est négli-geable devant (T2) (Figure 5.10). La paroi présente également des propriétés d’absorption du rayonnement. Une partie du rayonnement émis par la flamme est donc restituée au film (T3) qui s’écoule sur la paroi (par convection). Pour récapituler, la densité de flux radiatif importante à considérer en présence du FF, est celle reçue par la paroi qui dépend de son absorption, des caractéristiques de la flamme (concentration des espèces et température des gaz brûlés) et de sa proximité. En configuration d’interaction lointaine, la flamme présente des propriétés homogènes. Il est par conséquent possible d’évaluer l’influence de d sur les transferts thermiques impliqués dans le changement de phase.

En présence de la flamme, un flux thermique radiatif est restitué partiellement au film liquide par l’intermédiaire de la paroi ˙qRad(lié à T2 et T3). Il existe aussi un échange convectif avec l’écoulement gazeux ˙q_C (lié à T4). Dans des conditions stationnaires, l’estimation du débit évaporé permet d’évaluer la densité de flux ˙q reçue au niveau l’interface liquide/gaz qui

est impliquée dans le changement de phase. En effet, l’adaptation de l’équation (4.4) donne :

˙ q = L_V,A(T_int) × n_A0=      ˙

qC = h (T_u− T_int) (cas non réactif) ˙

q_Rad(d) + ˙q_C (cas réactif)

(5.7)

La configuration d’évaporation (C-2), où le liquide s’évapore seulement au niveau du po-reux, peut être utilisée pour évaluer ce flux thermique avec et sans FF. La température au niveau de l’interface liquide/gaz (T_int) étant difficilement mesurable dans ce cas, il est impos-sible de préciser l’importance des transferts convectifs par rapport au rayonnement, mais la surface d’évaporation est connue et constante, ce qui limite les erreurs de mesure. Le maté-riau du poreux est à base de silice. Nous ferons l’hypothèse que ses propriétés d’absorption radiative sont proches de celles de la paroi.

Pour estimer ˙q, la procédure expérimentale appliquée précédemment (cf. section4.2.2), est utilisée à nouveau en régime permanent et en fonction de différentes positions du FF oblique contrôlées par d. La Figure5.13 présente les résultats obtenus incluant celui sans FF. Si on considère la chaleur latente de vaporisation de l’heptane constante (L_V ≈ 365 kJ.K−1), un ordre de grandeur de ˙q est obtenu par l’application de l’équation (5.7).

Ces résultats montrent que ˙q évolue fortement avec d en présence du FF. La ligne

ho-rizontale en trait plein représente l’estimation des données dans le cas quasi-isotherme afin de confronter les résultats. Dans ce dernier cas, la densité de flux thermique par convection est ˙q_C≈ 450 W.m⁻². Celle-ci reste toujours inférieure à ˙q dans les cas réactifs considérés. Il

est important de noter pour la suite, qu’il y a environ un facteur 2 entre les débits évaporés globalement dans les deux cas (avec et sans FF) dans la configuration d’évaporation (C-2) au niveau du poreux et lorsque d ≈ 70 mm.

5.3 Effets de l’écoulement réactif sur le système paroi/liquide

Figure 5.13 – Densités de flux de masse et thermique en fonction de d

dans le changement de phase en fonction de la proximité du FF, le comportement et l’éva-poration du film liquide combustible (configuration (C-1)) font l’objet de la section suivante. La comparaison des résultats obtenus dans les différentes configurations d’évaporation est délicate. Toutefois, si la résistance thermique convective (T3) est négligeable en présence du film liquide, et que l’hypothèse de propriétés d’absorption radiative similaires entre la paroi et le poreux est valide, il est possible de retrouver les mêmes rapports de débits massiques évaporés, avec et sans FF, dans chacune des configurations d’évaporation, tant que la surface d’échange reste globalement constante.

5.3.2 Étude du comportement et de l’évaporation du film liquide en