Caractérisation des conditions expérimentales en configuration
3.5. Evolution de la pression
Dans cette partie, on étudie l’effet de la richesse, de la température de paroi et de la présence des hublots sur le temps de combustion et sur les pertes thermiques globales.
3.5.1. Effet de la richesse
Pour étudier l’effet de la richesse sur les pertes thermiques globales et sur le temps de combustion, des essais avec des mélanges méthane/air stœchiométrique et à richesse 0,7 ont été effectués avec une température de paroi à 298 K.
Dans le tableau suivant, on donne le temps de combustion
t
c ( ) ainsi que les instantst
10 % ett
90 % représentant respectivement l’instant où la pression a augmenté de 10 % et de 90 % de son augmentation maximale. On remarque que l’on a un temps de combustion à richesse 0,7 plus de deux fois plus grand qu’à la stœchiométrie. Or, la vitesse fondamentale de flamme laminaire non étirée (cf. Eq. 4.1) est de 0,18 m/s à richesse 0,7 et de 0,40 m/s à la stœchiométrie. On retrouve bien un facteur 2 entre ces deux conditions expérimentales.r T
w (K)P
allumage (bar)P
max (bar)t
10 %(ms)
t
90 % (ms)t
c (ms)0,7 298 2,12 10,63 11,7 16,3 17,6
1 298 2,12 14,87 4,7 6,6 7,1
Tab. 3. 5 : Effet de la richesse sur l'évolution de la pression
Dans le tableau 3.6, on montre l’influence de la richesse sur les pertes thermiques globales de l’instant de l’allumage à l’instant où la pression est maximale. Pour ce faire, on étudie le degré d’adiabaticité, donnée par l’équation 3.3.
(Eq. 3.3) où :
P
maxP
allumageP
ad: pression maximale mesurée : pression au moment de l’allumage
: pression adiabatique calculée avec la pression et la température au moment de l’allumage
r T
w (K)P
allumage (bar)P
max (bar)T
g.f. (K)P
ad (bar)a
(%)0,7 298 2,12 10,63 298 15,69 63
1 298 2,12 14,87 298 18,73 77
Tab. 3. 6 :Effet de la richesse sur les pertes thermiques globales
On remarque avec le tableau 3.6 que le degré d’adiabaticité est plus faible à richesse 0,7 qu’à richesse 1, ce qui signifie que la pression maximale obtenue est plus éloignée de la pression adiabatique. Il est délicat de quantifier les pertes thermiques globales à partir de ce paramètre car il prend également en compte la quantité d’imbrûlés. En effet, plus il y aura d’imbrûlés, plus la pression maximale sera faible. Or, nous ne disposons pas de diagnostic permettant de mesurer la quantité d’imbrûlés. Une diminution du degré d’adiabaticité peut être due à 3 phénomènes :
plus de pertes thermiques globales
une quantité d’eau se condensant avant l’instant où la pression est maximale plus grande (cf. § 3.2.1)
plus d’imbrûlés.
Mais le temps de combustion plus long permet un échange de chaleur plus important entre les gaz frais chauffés par l’expansion des gaz brûlés et les parois. Ensuite, la strioscopie présentée dans la partie 3.4.1 a permis de montrer que la flamme pauvre est convectée en proche paroi alors qu’à richesse 1 le « centre » de la flamme reste au centre de la chambre. L’échange thermique entre les gaz brûlés et la paroi commencent alors plus tôt pendant la combustion lorsque l’on est à richesse 0,7. De plus, le temps de combustion est deux fois plus grand pour le mélange pauvre, donc les pertes thermiques globales entre les gaz brûlés et les parois sont également plus importantes à richesse 0,7 qu’à richesse 1.
3.5.2. Effet de la température de paroi
Les temps d’injection sont inchangés pour toutes les températures de paroi étudiées. Or, comme on l’a vu précédemment, l’augmentation de la température de paroi a plusieurs effets :
Les gaz frais sont préchauffés dans les injecteurs. La pression au moment de l’allumage augmente. La quantité de masse injectée diminue.
Il reste à vérifier si les pertes sont moins importantes lorsque les parois sont chaudes. Pour ce faire, on étudie le degré d’adiabaticité, donné par l’équation 3.4.
T
w (K)P
allumage (bar)P
max (bar)T
g.f. (K)P
ad (bar)a
(%)m
injectée (g)t
10% (ms)t
90% (ms)t
c (ms) 298 2,12 15,03 298 18,73 77 0,554 5,09 6,85 7,36 330 2,21 14,87 335 17,57 82 0,541 4,69 6,40 6,84 377 2,44 13,93 397 16,52 82 0,523 4,49 6,31 6,79 423 2,61 13,75 432 16,33 81 0,508 4,51 6,54 7,07On remarque avec le tableau précédent que le degré d’adiabaticité augmente avec la température de paroi, ce qui signifie que la pression maximale obtenue se rapproche de la pression adiabatique. Il y a donc moins de pertes thermiques globales et/ou moins d’imbrûlés.
On remarque que l’on a un temps de combustion qui varie peu avec la température de paroi (écart-type de l’ordre de 0,4 ms pour toutes les températures de paroi), ce que l’on a observé grâce à la strioscopie (cf. § 3.4.1). Or, la vitesse fondamentale de flamme laminaire non étirée (cf. Eq. 4.1) augmente avec la température de paroi, et ce malgré l’augmentation simultanée de la pression. En effet, cette vitesse est de 0,40 m/s à 298 K et de 0,67 m/s à 466 K. Malgré le facteur 1,6 entre les vitesses à ces deux conditions de température, le temps de combustion est identique. La turbulence joue donc un rôle prédominant dans le développement de la flamme.
3.6. Conclusion
La présence de hublots sur le montage expérimental utilisé entraîne un échange thermique entre les gaz brûlés et la paroi plus faible, et donc une quantité d’eau condensée moins importante, que ceux attendus dans un moteur dont les parois sont entièrement en acier.
Comme les injecteurs ne sont pas isolés thermiquement du reste de la chambre de combustion, les gaz frais sont préchauffés par ceux-ci, et ce même avant le col sonique des injecteurs. Il n’y a donc pas de gradient de température à l’instant de l’allumage. Par contre le chauffage des injecteurs entraîne une diminution de la quantité de mélange réactif injectée, une augmentation de la température des gaz frais et de la pression à l’instant de l’allumage.
Le mouvement d’ensemble initial, obtenu grâce à la géométrie de la chambre de combustion et à l’orientation des injecteurs, se divise rapidement en de plus petites structures turbulentes. La température de paroi n’influe pas l’aérodynamique des gaz frais, excepté dans le plan médian où la viscosité plus importante à chaud provoque un entraînement de l’écoulement plus important, d’où une vitesse plus grande. Cette différence de vitesse s’estompe ensuite jusqu’à obtenir des vitesses de même ordre de grandeur au moment de l’allumage.
Des mesures de pression ont permis de montrer en premier lieu que le mélange stœchiométrique a une combustion deux fois plus rapide et un degré d’adiabaticité plus élevé que le mélange à richesse 0,7. Ensuite, elles ont permis de montrer que l’augmentation de la température pariétale entraîne une diminution des pertes thermiques, et finalement, que la présence des hublots entraîne une sous-estimation des pertes thermiques et aussi de la condensation rencontrées dans le cas opaque.
Un récapitulatif des caractéristiques des différents points de fonctionnement étudiés est présenté dans le tableau 3.8. Pour les cas où la température de paroi est de 330 K, 377 K et 423 K, on notera que les nombres de Reynolds et de Damköhler ont été estimés en prenant la même aérodynamique des gaz frais lorsque la paroi est à 298 K.
r
(K)T
wP
(bar) allumage (bar)P
max (K)T
g.f. (bar)P
ad (%)a m
injectée (g)t
10% (ms)t
90% (ms)t
c (ms)Re Da
0,7 298 2,12 10,63 298 15,69 63 0,554 11,7 16,3 17,6 /// /// 1 298 2,12 15,03 298 18,73 77 0,554 5,09 6,85 7,36 63 2 1 330 2,21 14,87 335 17,57 82 0,541 4,69 6,40 6,84 53 3 1 377 2,44 13,93 397 16,52 82 0,523 4,49 6,31 6,79 44 4 1 423 2,61 13,75 432 16,33 81 0,508 4,51 6,54 7,07 41 5 1 465 2,83 14,41 466 16,51 85 0,501 4,51 6,57 7,10 38 17Tab. 3. 8 : Récapitulatif des caractéristiques des différents points de fonctionnement étudiés